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 ещё только готовились начать боевую работу, над аэродромом появилось несколько фашистских бомбардировщиков.

ЛаГГ-3 с пушкой НС-37 во время войсковых испытаний, 21-й иап, Калининский фронт, аэродром Старая Торопа, май 1943 г.

Два звена «ЛаГГов» в воздушном бою сбили из пушек три самолёта противника. Лётчики… восторженно отзывались о пушке, снаряды которой оставляли большие пробоины в плоскостях и фюзеляже вражеских бомбардировщиков. Однако, несмотря на тренировки, некоторые лётчики 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 отчётливо».

Противник, узнав о появлении на фронте столь мощного оружия, буквально начал охоту за самолётами 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 лётчики докладывали о сбитых немецких самолётах. По свидетельству Шинкаренко, командир эскадрильи капитан М. Горбанёв первым в полку сбил бомбардировщик He.111, причём огонь открыл с дистанции 400 м — это почти в два раза больше, чем ранее практиковалось в боях для надёжного поражения воздушных целей. Известно, что только в августе 1942 г. в воздушных боях из 37-мм пушек было сбито 45 вражеских самолётов. 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 всё 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. пятёрка ЛаГГ-3 из 790-го иап подполковника И. Г. Королёва 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, вооружённые 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 самолётов противника.

Довелось участвовать этим машинам и в войне против Японии. На 9 августа 1945 г. ВВС Тихоокеанского флота имели 172 самолёта этого типа — почти треть всех наличных истребителей. В основном их действия сводились к прикрытию штурмовиков, как это было, например, 9 и 10 августа 1945 г. ЛаГГ-3 из 38-го иап в те дни прикрывали Ил-2 37-го шап, атаковавшие порт Юки. Но бывали случаи, когда лётчики на ЛаГГ-3 сами наносили бомбовые и штурмовые удары. Например, днём 11 августа они под прикрытием истребителей Як-9 и Ла-7 совершили налёт на порт Эсутору на Южном Сахалине.

Вскоре после окончания войны началось сокращение вооружённых сил. 22 марта 1946 г. Совет Министров постановил списать большое количество изношенных и устаревших самолётов. В их число вошли 187 ЛаГГ-3. Последние истребители этого типа, видимо, были выведены из эксплуатации к началу 1947 г.

ЛаГГ-3 никогда не поставлялся на экспорт. Однако в 1941–1942 гг. немцам удалось захватить некоторое количество машин этого типа в различном состоянии. Данных об их использовании в Люфтваффе нет, но известно, что в 1942 г. три из них были проданы Германией своим финским союзникам. Эти самолёты эксплуатировались в 1943–1944 гг. эскадрильей LeLv 32 и использовались финнами в Карелии как ближние разведчики. Известен случай боя финского ЛаГГ-3 с точно такой же советской машиной. Долгое маневрирование ни одному из них не принесло победы. После отказа пушки финский лётчик вышел из боя.

В 1945 г. все три ЛаГГ-3 передали эскадрилье HLeLv 11. Там они летали до конца года, после чего были списаны.

Весной 1942 г. один истребитель угнали из Забайкалья в контролировавшуюся тогда японцами Маньчжурию. Самолёт совершил вынужденную посадку на поле с убранным шасси. После ремонта японцы решили испытать ЛаГГ-3. Полёты начались с 29 сентября. Проводилось определение основных характеристик машины и велись учебные бои с японскими истребителями. Дальнейшая судьба этого самолёта неизвестна.

ЛаГГ-3 финских ВВС, эскадрилья LeLv 32, 1943 г. Это самолёт 4-й серии завода № 21, на котором финский завод VL переделал закрылки.

Единственным конкурентом ЛаГГ-3 в СССР был яковлевский Як-1. Первые серийные ЛаГГ-3, построенные на заводе № 21, имели перед Як-1 небольшое преимущество в скорости и дальности полёта. Истребитель Яковлева быстрее набирал высоту, на 5000 м он поднимался за 5,7 мин против 6,4 мин у ЛаГГ-3 29-й серии. Зато последний имел более сильное вооружение, состоявшее из пушки, двух ШКАСов (как и на Як-1) и крупнокалиберного пулемёта Березина.

У обоих самолётов имелись технологические «слабости», связанные с использованием дефицитных материалов. Для изготовления дельта-древесины применяли импортные фенолформальдегидные смолы. У Як-1 ферму фюзеляжа сваривали из стали 30ХГСА, которой постоянно не хватало.

Создавая ЛаГГ-3, конструкторы старались максимально реализовать запросы заказчика, что в совокупности с применением дельта-древесины существенно утяжелило планер. В то же время А. С. Яковлев, проектируя свой Як-1, проигнорировал ряд требований военных. В частности, он применил неразъёмное крыло, усложнившее транспортировку по железной дороге. С другой стороны, использование такого крыла в совокупности с ферменной конструкцией фюзеляжа облегчило планер. В результате на протяжении всей войны лишь при незначительном увеличении мощности двигателя «якам» удавалось не только поддерживать паритет, но и добиваться превосходства над немецкими «мессершмиттами» и «фокке-вульфами». Воевавший на ЛаГГ-3 лётчик Д. А. Кудымов писал: «Мы с завистью смотрели на тех, кому посчастливилось летать на самолётах конструкции Яковлева — истребителях Як-1: на этих машинах лётчики уверенно вступали в бой с немецкими самолётами любых марок, невзирая на численное превосходство противника».

Серийные ЛаГГ-3 заметно потяжелели и, лишённые полировки, заметно уступали в лётных данных опытным образцам И-301. Вдобавок, в августе 1941 г. Лавочкина обязали оснастить ЛаГГ-3 подвесными сбрасываемыми топливными баками, а для эксплуатации самолётов зимой оборудовать машину лыжным шасси. Неоднократные попытки Лавочкина и Горбунова избавить истребитель от лишнего веса за счёт снятия части вооружения к особому успеху не привели. В итоге, в 1944 г. выпуск ЛаГГ-3 прекратили. «Яки» оказались более технологичны и по этой причине проще и быстрее модернизировались, не уступая самолётам противника по лётно-техническим данным, а по манёвренности и превосходя его.