В августе 1942 года государственные испытания начал самолет с двигателем М-105ПФ и винтом ВИШ-61П, вооруженный 37-мм пушкой. Самолет оснастили рулями высоты и направления с аэродинамической балансировкой, что значительно уменьшило нагрузку на ручку управления и педали. Кроме того, самолет получил частично убирающееся хвостовое колесо и пять топливных баков. Под крыльями установили узлы для внешней подвески бомб. Самолет также был оснащен предкрылками. Кроме 37-мм пушки Ш-37 самолет нес пулемет БС с боекомплектом 140 выстрелов.

С 25 августа по 1 сентября 1942 года новый ЛаГГ-3 проходил государственные испытания, которые показали, что предкрылки и сбалансированные рули значительно упростили управление машиной, хотя поперечное управление по-прежнему требовало от пилота значительных физических усилий.

Время полного разворота, несмотря на рост взлетной массы, не увеличился, несколько улучшилась поперечная устойчивость. Самолет без проблем пикировал под углом 60°, развивая при этом скорость до 650 км/ч. Оптимальный угол атаки составлял 30–40°. Стрельба из пушки не приводила к вибрации самолета и не оказывала отрицательного влияния на точность прицела. В итоговом рапорте сообщалось, что самолет можно использовать для борьбы с бронетехникой противника, защищенной броней толщиной до 40 мм, а также с открыто расположенной живой силой противника.

Несмотря на положительные отзывы, ЛаГГ-3 с 37-мм пушкой серийно не выпускался. Позднее на самолет в порядке эксперимента поставили 45-мм пушку, созданную на базе Ш-37. Когда появилась удачная пушка НС-37 калибра 37 мм конструкции Нудельмана и Суранова, ЛаГГ-3 с пушкой НС-37 прошел государственные испытания, но пушку приняли на вооружение лишь 30 декабря 1942 года. Завод № 21 построил 15 ЛаГГов-3, вооруженных пушкой НС-37. По сравнению с машинами, вооруженными пушкой Ш-37, эти истребители были легче. Поскольку завод № 21 в это время осваивал выпуск самолетов Ла-5, дальнейший выпуск ЛаГГов-3 с 37-мм пушкой перенесли в Тбилиси.

Осенью 1942 года самолеты ЛаГГ-3 выпускались только на единственном заводе в Тбилиси. ГКО СССР снова потребовал от конструкторов улучшить летные характеристики самолета. Следовало увеличить скорость, уменьшить массу, улучшить маневренность и сократить разбег и пробег. Завод № 31 обязался облегчить самолет сначала до 2850 кг, а в середине ноября появилось новое решение облегчить машину еще на 100 кг. Главный конструктор завода Горбунов приложил массу усилий, чтобы выполнить взятые на себя обязательства. Нарком авиационной промышленности вскоре докладывал Сталину о том, что массу истребителя удалось уменьшить на 120 кг. Это в сочетании с облагороженной аэродинамикой позволило увеличить скорость самолета на 30 км/ч. Тем временем Горбунов продолжал дальше облегчать ЛаГГ. План предусматривал, что с 25 октября завод № 31 будет выпускать самолет массой 2850 кг вместо прежних 3160 кг. Полностью исправить аэродинамику самолета могло внедрение полностью убиравшегося в полете хвостового колеса. На прототипе И-301 такое колесо уже имелось, но на серийных самолетах ставили колесо, заклиненное в выпущенном состоянии, поскольку сложный механизм уборки колеса не отличался надежностью. Теперь колесо снова делали убирающимся, но механизм уборки теперь был совершенно иным. Колесную нишу снабдили выпуклыми крышками, полностью закрывавшими колесо в убранном состоянии. Все самолеты, начиная с 35-й производственной серии, оснащались убирающимся хвостовым колесом.

Облегчение конструкции ЛаГГа-3 позволило ему набирать высоту 5000 м за 5,8 мин вместо прежних 6,4. Полный разворот на высоте 1500 м самолет теперь производил за 20 секунд вместо прежних 21 секунды. Разбег сократился с 370 до 280 м. Выпуклое остекление фонаря заменили плоским, что улучшило обзор вперед. Маслосистема стала меньше терять масло и уже не пачкала фонарь. На самолет установили прицел с красной подсветкой, что повысило точность прицеливания. Но всех требований, определенных в указе НКАП, выполнить не удалось. В начале 1943 года главной целью завода № 31 было сократить массу серийного самолета до 2950 кг, подняв при этом максимальную скорость у земли до 526 км/ч, а на оперативной высоте до 590 км/ч. Облегченный самолет пустили в серию без статичных и летных испытаний. Его массу уменьшили, уменьшив толщину некоторых деталей, используя облегчающие отверстия, а также уменьшив запас прочности фюзеляжа.

В передней части фюзеляжа толщину обшивки уменьшили с 9,5 до 7 мм, облегчили каркас капота, два маслобака заменили на один. С самолета сняли узлы для крепления подвесных топливных баков, у внутренних топливных баков уменьшили толщину стенок. Использование новых тросиков управления газом, а также ряд других изменений в конструкции позволили в общей сложности облегчить самолет на 252–283 кг. С другой стороны переделка воздухозаборников водяного и масляного радиаторов, герметизация противопожарной переборки, установка обтекателей на выхлопные патрубки и доработка форсированного двигателя М-105ПФ (на двигатель поставили усиленный коленвал) добавили к массе самолета 55 кг. В результате массу не удалось понизить больше чем до 2962 кг. Серийные самолеты часто весили на 9 % больше опытных машин. Эту проблему часто обсуждали в НКАП. В 1943 году появился указ «Об ужесточении дисциплины крупносерийного выпуска самолетов», который касался всех авиационных предприятий. В этот же период трудно было оснащать все самолеты радиостанциями. Лишь с марта 1943 года на все без исключения ЛаГГи-3 начали ставить приемники, а на каждом пятом самолете — приемо-передатчики РСИ-4. Часть самолетов выпускалась в варианте ближнего разведчика и оборудовалась фотокамерой АФА-1, установленной в хвостовой части фюзеляжа. В середине 1943 года вооружение самолета усилили вторым пулеметом БС. На последних сериях винт ВИШ-61П заменили винтом ВИШ-105СВ, отличавшемся более плоской и широкой ступицей.

На заводе № 31 работали над совершенствованием двигательного агрегата с целью улучшить скорость самолета. Предпринимались попытки поставить на истребитель двигатели М-106 и М-107, но, как уже говорилось выше, они закончились безрезультатно. Горбунов предпринял еще одну попытку улучшить летные качества ЛаГГа-3, установив на самолет двигатель М-105ПТ. Истребитель, получивший обозначение «объект 105» в октябре 1943 года прошел государственные испытания. Прежде всего в глаза бросалась каплевидная форма фонаря кабины. Вооружение самолета состояло из пушки ШВАК и пулемета БС с боекомплектом 160 и 200 выстрелов соответственно. Взлетная масса самолета составила 2818 кг, максимальная скорость 612 км/ч.