Постройка второго образца задержалась до октября 1940 г. Поскольку заводские испытания он не прошёл, то и на государственные его не допустили. Зато в ноябре на этом самолёте впервые опробовали в полёте вооружение. Надо сказать, что первые лётные испытания магазинной пушки ПТБ-23 конструкции Н. Б. Таубина и М. Н. Бабурина на будущем Ил-2 показали её непригодность для эксплуатации на самолёте из-за чрезмерной отдачи при выстреле. Доработанный вариант, предназначенный для установки в развале цилиндров мотора М-105П, получил обозначение МП-6. По результатам испытаний на втором И-301 в ноябре 1940 г. МП-6 внедрили в серийное производство сразу на двух заводах (хотя на вооружение официально не приняли). Таубина и Бабурина наградили орденами Ленина.

Авария И-301 лётчика А. И. Никашина 11 августа 1940 г. Хорошо видны пулемёты ШКАС и трубы охлаждения пулемётов БС.

Но реально МП-6 применения на серийных истребителях не нашла. Весной 1941 г. на подмосковном аэродроме Монино провели на штурмовиках Ил-2 сравнительные лётные испытания пушек МП-6 и ВЯ-23 (последнюю сконструировали Волков и Ярцев). ВЯ-23 показала явные преимущества и была принята на вооружение. Возможно, это обстоятельство в совокупности с неудачами, преследовавшими коллектив ОКБ-16 при разработке пулемёта АП-12,7, стали причиной ареста Таубина и Бабурина 16 мая 1941 г.

В сентябре 1940 г. неожиданно изменились требования к дальности полёта И-301. После осмотра И-301 и конкурировавшего с ним И-26, созданного под руководством А. С. Яковлева, новым наркомом авиапромышленности А. И. Шахуриным и начальником ВВС РККА Я. С. Смушкевичем конструкторам объявили о необходимости поднять максимальную дальность до 1000 км. Первоначально на истребителе было три бензобака (один в фюзеляже и два в центроплане); пришлось добавить ещё два кессон-бака в консолях. Увеличение взлётного веса потребовало также некоторого усиления шасси. Второй экземпляр И-301 спешно доработали, увеличив запас топлива. На нём Никашин совершил беспосадочный перелёт Москва — Курск — Москва протяжённостью 850 км. Остатка бензина хватило бы ещё на 250–300 км. Это подтвердило возможности истребителя в отношении дальности полёта.

Из сохранившихся документов известно, что Лавочкин испрашивал разрешение наркомата на испытание второго экземпляра И-301 с турбонаддувом, но данных о таких полётах обнаружить не удалось.

Ещё 26 июля 1940 г. Совнарком принял решение о развёртывании серийного производства И-301 на заводе № 23 в Ленинграде. Однако 2 октября поступило указание ограничиться сборкой там только пяти экземпляров для эксплуатационных испытаний.

После изменения системы обозначений советских военных самолётов машина стала именоваться ЛаГГ-1. Но уже 23 ноября появился приказ НКАП о выпуске варианта с увеличенной дальностью (с пятью баками) как ЛаГГ-3. И наконец в декабре вышло постановление о производстве этого самолёта сразу несколькими заводами. Лавочкина, Горбунова и Гудкова удостоили Сталинской премии.

Согласно приказу НКАП от 9 декабря 1940 г. серийное производство ЛаГГ-3 предполагалось организовать параллельно на пяти предприятиях: первыми должны были его начать заводы № 21 в Горьком (ныне Нижний Новгород), № 31 в Таганроге и № 23 в Ленинграде (ныне Санкт-Петербург). Гудкова оставили в Химках, назначив главным конструктором ОКБ-301 (там он занялся истребителем Гу-1, повторявшим компоновку американской «Аэрокобры»), Горбунова направили помогать освоению выпуска в Таганрог, а Лавочкина с той же целью — в Ленинград. Но пробыл Лавочкин там недолго, вскоре ему приказали выехать в Горький и возглавить опытное производство на заводе № 21, ставшем головным по выпуску новых истребителей. В декабре 1940 г. Семён Алексеевич прибыл туда с частью коллектива ОКБ-301.

Первым налаживать серийное производство истребителей начал ленинградский завод № 23. На декабрь 1940 г. предприятию запланировали выпуск пяти ЛаГГ-1. Фактически же серийные машины стали покидать заводские цеха в следующем году уже в варианте ЛаГГ-3. Первый самолёт вышел на аэродром в феврале 1941 г. До эвакуации ленинградцы смогли сдать заказчику лишь 65 истребителей.

С января 1941 г. производство ЛаГГ-3 развернулось в Горьком. Параллельно там продолжали строить И-16. ЛаГГ-3 считался цельнодеревянной машиной (при этом лонжероны, носки крыла и некоторые мелкие детали изготавливались из дельта-древесины), исключение составляли металлические каркасы рулей высоты и поворота, обтягивавшиеся перкалем. Из-за этого заводу пришлось несколько перестроить производство. Дело в том, что на ранее выпускавшемся истребителе И-16 (тип 29) 10 % приходилось на деревообработку, а 32 % — на изготовление деталей и агрегатов из алюминиевых сплавов. При освоении ЛаГГ-3 (именовавшемся на предприятии «тип 31») всё было наоборот. Свыше трети объёма производства занимали деревянные узлы, и лишь 12 % — дюралюминиевые.

ЛаГГ-3 1-й серии завода № 21.

ЛаГГ-3 одной из первых серий, выпущенных в Горьком. Обратите внимание на отсутствие радиоантенны.

Истребитель ЛаГГ-3 на аэродроме, весна 1941 г.

Первый серийный самолёт, собранный в Горьком, был поднят в воздух 23 января лётчиком Никашиным. На машине выявили столько дефектов, что военную приёмку она прошла только 24 февраля. Один из первых истребителей, изготовленных заводом № 21, использовали для совместных испытаний. Для быстроты их проводили прямо на заводском аэродроме. В начале 1941 г. в Горький выехала бригада НИИ ВВС во главе с ведущим инженером М. И. Таракановским. Ведущим лётчиком был А. И. Никашин. Испытания завершились в апреле. В заключении отчёта отмечалось, что штопор до двух витков с недобранной ручкой и пикирование до приборной скорости 700 км/ч безопасны. Опять рекомендовалось устранить выявленные ранее недостатки. А что мог предложить НИИ, если решение о принятии на вооружение нового истребителя принималось Политбюро!

На первомайском параде 1941 г. в Москве запланировали показ 50 истребителей ЛаГГ-3, однако к 22 апреля в наличии имелось лишь 20, к тому же не лишённых производственных дефектов, самолётов. У них на стоянке самопроизвольно складывались костыли и основные стойки шасси, отказывали тормоза. Причина крылась в подтекании жидкости из гидросистемы. Кончилось тем, что костыли просто законтрили в выпущенном положении. До праздника оставалось чуть больше недели, и промышленность делала всё, вплоть до грубых отклонений от технологии производства, лишь бы эти машины пролетели над Красной площадью. А потом их снова дорабатывали, превращая из парадных в боевые.

Завод № 21 торопился войти в весьма жёсткий график поставок. Из-за спешки в ходе серийного производства качество изготовления самолётов постоянно ухудшалось. Плохая внешняя отделка, переход к неубирающемуся костыльному колесу и установка мачты радиоантенны заметно ухудшили лётные данные.

Долго не могли определиться с составом вооружения ЛаГГ-3. Это было связано с дефицитом авиационных пушек и крупнокалиберных пулемётов, а также со стремлением сочетать огневую мощь с достаточно высокими лётными данными (для чего истребитель всячески пытались облегчить). Поскольку пушку МП-6 забраковали, её решили заменить третьим крупнокалиберным пулемётом. В связи с этим завод № 21 первые три серии ЛаГГ-3 комплектовал четырьмя синхронными пулемётами ШКАС и БС (по паре тех и других) и одним пулемётом БК, стоявшим в развале мотора. С 76-й машины 3-й серии БК заменили на 20-мм пушку ШВАК, но для снижения веса убрали один БС (с правой стороны).