В октябре 1940 года было принято решение запустить истребитель И-301 в массовое производство под обозначеним ЛаГГ-3. Головным был определен завод в Горьком, куда предстояло переехать большей части сотрудников КБ во главе с Лавочкиным.

С началом серийного производства появились проблемы качества. Из частей, куда отправляли новые истребители стали приходить рекламации - самолеты недодавали скорости (окраска самолета, а не полировка "рояля"), подламывались стойки шасси (дополнительные два топливных бака), происходили отказы вооружения и механизмов уборки-выпуска шасси. В результате проведения доработок по результатам испытаний опытных машин и установки по требованиям заказчика дополнительного оборудования, масса серийных ЛаГГов выросла на 70кг, максимальная скорость полета упала до 550-555км/ч, снизилась дальность полета. При эксплуатации на полевых аэродромах выявились некоторые серьезные недостатки машины: очень ограниченный обзор в задней полусфере, тенденция к срыву в штопор на малых скоростях.

ЛаГГ-3 по весовой отдаче и компактности конструкции значительно уступал Як-1. Конструкция ЛаГГ-3 при том же двигателе и почти аналогичном вооружении была на 300кг тяжелее. Это в первую очередь объясняется деревянной конструкцией фюзеляжа по сравнению с ферменной у Як-1. Есть весовая разница и в крыльях: у "ЛаГГа" узлы крепления консолей оказались тяжелее по сравнению с "Яком", не имевшего разъемов. Но зато живучесть "ЛаГГа", и тем более его преемника "лавочкина", была невероятной.

Истребители ЛаГГ-3 первых трех серий практически не отличались друг от друга. Серьезные отличия появились начиная с 4-ой серии. В процессе производства истребителей ЛаГГ-3, начиная с 4-й серии, центральный БК заменили пушкой ШВАК (при этом правый БС пришлось снять), а под плоскостями крыла оборудовали узлы подвески реактивных снарядов и бомб (три - четыре PC под каждой плоскостью или по одной бомбе). На самолеты четвертой сери стали устанавливать более совершенные двигатели Климова М-105ПА. Практически по всем показателям самолет уступал немецкому истребителю Bf.109F-4 поступавшему на Восточный фронт в начале войны.

Следующее серьезное изменение в конструкции самолета была сделано в 8-ой производственной серии. Боевое использование ЛаГГ-3 показало малую эффективность 7.62-мм пулеметов ШКАС. Исходя из этого было принято решение снять с самолета оба таких пулемета, оставив мотор-пушку ШВАК и 12.7-мм пулемет Березина. Это позволило облегчить машину и увеличит ее маневренность. Производство самолетов восьмой серии было начато в конце 1941 года.

Боевые действия в начале 1941 года показали необходимость принятия на вооружение истребителей способных использоваться в роли легких штурмовиков для нанесения ударов для непосредственной поддержки наступающих войск. Первой модификацией истребителя ЛаГГ-3 в этой роли стали самолеты 11-ой серии. Кроме шести пусковых установок для реактивных снарядов РС-82 они получили возможность использовать легкие бомбы до 50кг.

Для облегчения истребителя было решено уменьшить запаса топлива, то есть вернуться к исходному, трехбачному, варианту ЛаГГа. На ЛаГГах 11-й серии крыльевые баки не устанавливались совсем - для компенсации встроенных крыльевых баков предлагалось использовать подкрыльевые подвесные сбрасываемые бачки емкостью до 100л, однако широкого распространения они не получили.

В 1942 году истребителе ЛаГГ-3 стали выпускаться в обновленных вариантах. Первым новым вариантом стала 23-я производственная серия, отличавшаяся от своих предшественников увеличенным стабилизатором. Все работы по модернизированию самолета были направлены на улучшение летных характеристик. Но все же ЛаГГ-3 часто служил предметом нареканий как со стороны летчиков, так и техников.

Следующим серьезным новшеством, предназначенным для повышения летных характеристик самолета, стала замена двигателя на 28-ой серии. Этот вариант был предложен конструкторской группой Горбунова. ЛаГГ-3 получил более мощный двигатель Климова М-105ПФ. За счет снятия части вооружения и оборудования достигнуто уменьшение массы. В результате были улучшены летные характеристики истребителя. Самой удачной версией 1942 года стали самолеты 35-ой серии. В самолет были внесены многочисленные изменения, улучшающие аэродинамику фюзеляжа. Это позволило сохранить хорошие летные данные "облегченной" версии ЛаГГ-3, сохраняя при этом все боевые возможности фронтового истребителя.

Наиболее значительные изменения были внесены в ЛаГГ-3 предназначенный для уничтожения танков и бронированной техники противника. Было решено создать вариант истребителя ЛаГГ-3 (34-я серия) с 37-мм пушкой. ЛаГГ-3 34-ой серии оказался неважным противотанковым самолетом, увеличение огневой мощи не могло компенсировать ухудшения летных характеристик самолета. К тому же появления на фронте специализированных штурмовиков Ил-2 с противотанковыми пушками НС-37 привило к решению отказаться от производства противотанковой версии ЛаГГ-3.

Последней, наиболее совершенной модификацией стал ЛаГГ-3 66-й серии, на котором были внедрены рекомендации ЦАГИ в области аэродинамики планера самолета. Некоторые изменения были внесены в конструкцию самолета на основании разработок КБ Яковлева по самолету Як-1Б. На ЛаГГ-3 установили новый фонарь (аналогичный с Ла-5) с передним и задним бронестеклами и пониженным гаргротом, что улучшило осмотрительность в задней полусфере. Летные характеристики самолета ЛаГГ-3 66-ой серии позволяли на равных сражаться с основными немецкими истребителями восточного фронта Bf.109G-6 и Fw.190A-3. Однако все же ЛаГГ-3 уступал им в вооружении.

Вообще, в корне неверно достаточно широко распространенное мнение о ЛаГГ как о истребителе начального периода войны. Так в 1944 году в составе ВВС Красной Армии числилось 594 самолетов ЛаГГ-3. Конечно, ЛаГГи уже не использовались на направлении главного удара, уступив место более совершенным Ла-5 и Ла-7, Як-9 и Як-3. В конце войны ЛаГГи воевали, главным образом, на Балтике и Карельском перешейке, где основным противником выступали финны, имевшие истребители далеко не самых последних моделей. К маю 1945 года в строевых частях ЛаГГов практически не осталось.