Но мастерство пилотов не могло в полной мере компенсировать отставание ЛаГГ-3 по летным данным от истребителей Люфтваффе. У самолета выявились и другие недостатки. Машина была сложнее в пилотировании, чем Як-1 и Як-7, что сильно сказывалось в частях, где было много молодых, наскоро обученных летчиков. Погоня за выполнением и перевыполнением плана в условиях, когда на заводах трудилось много малоквалифицированных женщин и подростков, отрицательно влияла на качество техники. В результате фиксировалась высокая аварийность. По данным ВВС, с июня по октябрь 1942 г. в небоевой обстановке произошло 18 катастроф, причем в шести случаях имело место разрушение крыльев, а в восьми — двуплечего рычага управления закрылками; добавим сюда шесть поломок, одну вынужденную посадку и 77 простоев боевых машин из-за неисправности материальной части.

Со второй половины 1942 г. количество этих самолетов в строю начало постепенно сокращаться. На 19 ноября на передовой насчитывалось всего 277 машин, почти вдвое меньше, чем имелось летом. Зато возросло наличие этих машин в ПВО и морской авиации. Например, в ноябре 1943 г. ЛаГГ-3 получил 35-й ИАП, прикрывавший Черноморское побережье Кавказа.

Из четырех истребительных полков ВВС Черноморского флота, активно действовавших в 1943 г., два (9-й и 25-й) были вооружены ЛаГГ-3. 25-й ИАП считался одним из лучших. За вторую половину года его летчики провели 89 воздушных боев, сбив 73 самолета противника (включая 56 истребителей). Сам полк за это время потерял 24 машины.

На 1 июля 1943 г. на фронте насчитывался 251 ЛаГГ-3. Они действовали в основном на юге. 4 декабря 1943 г. шестерка ЛаГГ-3 из 790-го ИАП под командованием старшего лейтенанта Бурака, прикрывая Эльтиген, встретила 25 бомбардировщиков Ju-87, сопровождавшихся четверкой Bf-109. Атаковав «лапотников» сверху в лоб, наши летчики разрушили неприятельский строй и вынудили бомбардировщики беспорядочно сбросить свой груз. В этом бою старшие лейтенанты Бурак и Сальников одержали по одной победе.

В некоторых полках недостатки ЛаГГ-3 пытались компенсировать усовершенствованием тактики их применения. Так, в 4-й воздушной армии практиковали взаимодействие их с другими типами истребителей. ЛаГГ-3 барражировали на высотах до 3000 м, а выше находились более маневренные «аэрокобры». Последние связывали боем истребители противника, предоставляя возможность ЛаГГ-3 бороться с вражескими бомбардировщиками.

Звено самолетов К-37 (Гу-37) с пушкой Ш-37 впервые использовалось в боях на московском направлении в октябре 1941 г. в составе 43-й авиадивизии. Тогда мощное вооружение этих машин не удалось использовать в полной мере из-за многочисленных конструктивных и производственных дефектов пушечной установки. Тем не менее, конструктор пушки Шпитальный посчитал, что применение нового оружия прошло успешно, и доложил Сталину об уничтожении пяти средних танков. Однако он промолчал, что в этом же месяце звено фактически перестало существовать — все его истребители были выведены из строя.

Более совершенные ЛаГГ-3 с 37-мм пушками Ш-37, выпущенные заводом № 21 в 1941–1942 гг., поступили в 42-й ИАП подполковника Ф. И. Шинкаренко (с 9 октября 1942 г. этот полк стал 133-м гвардейским), который в марте 1942 г. начал их войсковые испытания на Брянском фронте. «Первое испытание в бою, — вспоминал Шинкаренко, — прошло вне предусмотренной программы. Когда мы еще только готовились начать боевую работу, над аэродромом появилось несколько фашистских бомбардировщиков.

Два звена ЛаГГов в воздушном бою сбили из пушек три самолета противника. Летчики восторженно отзывались о пушке, снаряды которой оставляли большие пробоины в плоскостях и фюзеляже вражеских бомбардировщиков. Однако, несмотря на тренировки, некоторые летчики в первой же атаке израсходовали все патроны. Выяснилось также, что при ведении огня из пушки длинными очередями ЛаГГ терял скорость. Подобное мы замечали и раньше, когда тренировались в стрельбе по наземным целям, но в бою это проявилось особенно отчетливо».

Противник, узнав о появлении на фронте столь мощного оружия, буквально начал охоту за самолетами полка. В результате испытания пришлось прервать. В мае 42-й ИАП направили на Западный фронт, подчинив 202-й ИАД полковника Б. И. Янсена. Почти после каждого боевого вылета летчики докладывали о сбитых немецких самолетах. По свидетельству Шинкаренко, командир эскадрильи капитан М. Горбанев первым в полку сбил бомбардировщик He-111, причем огонь открыл с дистанции 400 м — это почти в два раза больше, чем ранее практиковалось в боях для надежного поражения воздушных целей. Известно, что только в августе 1942 г. в воздушных боях из 37-мм пушек было сбито 45 вражеских самолетов. Кроме 42-го ИАП, ЛаГГ-3 с 37-мм пушками был укомплектован и 188-й ИАП подполковника Г. И. Черепанова.

Войсковые испытания истребителей с пушками НС-37 проходили с 21 апреля по 7 июня 1943 г. на Калининском фронте в составе 1-й воздушной армии. Хотя результаты их были признаны успешными, кроме небольшой партии машин, направленных туда, эта пушка на серийных ЛаГГ-3 не устанавливалась. Позднее НС-37 начали монтировать на истребители Як-9Т и штурмовики Ил-2.

Во все уменьшающихся количествах ЛаГГ-3 состояли на вооружении ВВС, ПВО и морской авиации до конца Великой Отечественной войны. В частности, они принимали участие в освобождении Крыма. 10 января 1944 г. пятерка ЛаГГ-3 из 790-го ИАП подполковника И. Г. Королева перехватила в районе Тархан (Керченский п-ов) 12 пикировщиков Ju-87, шедших в сопровождении пары Bf-109. В бою немцы потеряли три Ju-87 и оба истребителя. В операциях в Крыму были задействованы также 88-й, 159-й, 863-й и 979-й ИАП, вооруженные ЛаГГ-3.

В ВВС Черноморского флота на 1 января 1945 г. входили 7-й и 62-й ИАП и 2-й учебный полк. Ни один из них не был полностью укомплектован ЛаГГ-3, но в сумме там насчитывалось 46 машин этого типа.

Много ЛаГГ-3 сохранялось в полках ПВО. Например, на них летала вся 229-я ИАД. В Подмосковье с середины 1943 г. ЛаГГ-3 начали заменять на Ла-5. В частности, в 178-м ИАП к концу ноября остался всего один старый истребитель. Всего за период войны ЛаГГ-3, входившие в состав истребительной авиации ПВО, уничтожили 315 самолетов противника.