Испытания в ЛИИ в сентябре другого серийного истребителя показали, что скорость, по сравнению с опытным образцом, снизилась на 51 км/ч. Возник вопрос — каковы же основные причины этого? Самолёт № 31211062 подвергли специальной доработке, внеся много мелких изменений, улучшающих аэродинамику и работу мотоустановки. В октябре 1941 г. лётчик-испытатель Шемятинков облетал эту машину. При полётном весе 3117 кг, с убранным костылём и полностью закрытым водорадиатором на высоте 4960 м на этом самолёте получили скорость 580 км/ч, а время набора 5000 м — 6,7 мин. Для серийных ЛаГГ-3 выпуска 1941 г. это были наилучшие показатели. Большинство опробованных на самолёте № 31211062 новинок решили постепенно внедрить в серию. Но несмотря на все старания конструкторов, ЛаГГ-3 продолжал уступать по лётным данным как истребителям противника, так и яковлевскому Як-1, поступавшему в ВВС во всё больших количествах.
При этом качество серийной продукции продолжало ухудшаться. Место квалифицированных рабочих заняли женщины и подростки. Остро не хватало материалов, полуфабрикатов и различных элементов оборудования и вооружения. Падало качество комплектующих, поставлявшихся смежными предприятиями. Всё это сказывалось на лётных данных истребителей.
Контрольные испытания, проведённые весной 1942 г. в НИИ ВВС, показали, что хотя полётный вес машины № 3121232, укомплектованной только пушкой ШВАК и пулемётом БС, уменьшился на 230 кг, максимальная скорость снизилась до 539 км/ч.
Планер ЛаГГ-3, проектировавшийся в расчёте на мощный мотор М-106, был слишком тяжёл для М-105П. Самолёту явно не хватало тяговооружённости. Несоответствие взлётного веса самолёта мощности двигателя М-105 проявилось уже в первых полётах, и коллектив конструкторского бюро делал всё возможное, чтобы привести в соответствие машину и её мотоустановку. С одной стороны, искали пути облегчения планера, с другой — изучали возможности монтажа альтернативных двигателей. В плане опытных работ завода № 21 на 4-й квартал 1941 г. значились два истребителя с моторами М-107П, самолёты с нагнетателем Трескина и высотной кабиной, а также вариант ЛаГГ-3 со звездообразным мотором воздушного охлаждения М-82, разработанный под руководством М. И. Гудкова.
Машина с двигателем М-107П должна была иметь посадочную скорость 140 км/ч, максимальную — не ниже 660 км/ч на высоте 6000 м; время набора высоты 5000 м — 5,5 мин, практический потолок — 11 000 м и дальность — 1000 км. Кроме пушки калибра 23 мм, в состав вооружения планировалось включить по паре пулемётов БС и ШКАС.
Первый опытный образец самолёта с двигателем М-107П построили ещё во 2-м квартале 1941 г., но лишь 8 августа приказом НКАП лётчиком-испытателем этой машины назначили Г. А. Мищенко. До конца года успели определить лётные характеристики до высоты 4500 м. С оснащением ЛаГГ-3 мотором М-107 явно поторопились, поскольку двигатель работал в очень напряжённом тепловом режиме, а для его охлаждения не хватало площади ни водяных, ни масляных радиаторов. Более того, обнаружился задир поршней и ряд других дефектов самого мотора. К лету 1942 г. стало ясно, что двигатель ещё нужно доводить, и все работы по установке М-107 на самолёты отложили до лучших времён.
ЛаГГ-3 29-й серии завода № 21 с подвесными баками.
ЛаГГ-3 29-й серии с мотором М-105ПФ на испытаниях в мае 1942 г.
Постройку ЛаГГ-3 с высотной кабиной прекратили в связи с эвакуацией завода № 482, который должен был её изготовить, а вот двухскоростной нагнетатель Трескина действительно установили на самолёт и облетали в 1-м квартале 1942 г. В ходе заводских испытаний нагнетатель заменили на трёхскоростной типа Э-42А, успев снять лётные характеристики лишь на двух его скоростях.
Сразу после начала войны планы всем заводам резко увеличили. При этом реально основная тяжесть легла на горьковский завод № 21. С сентября 1941 г. началась эвакуация предприятий из Ленинграда и Таганрога. Завод № 23 при этом был поглощён другим, и изготовление ЛаГГ-3 с сентября прекратил. Из Таганрога оборудование и рабочих перебросили в Тбилиси, но требовалось время для развёртывания производства. В Новосибирске параллельно с ЛаГГ-3 делали Як-7. Так что все эти предприятия, по сравнению с горьковским заводом, вносили очень небольшой вклад в поставки самолётов фронту. Завод № 21 на некоторое время стал вообще самым мощным предприятием в стране по выпуску истребителей. До конца 1941 г. он сдал 1445 ЛаГГ-3. Среди них 20 самолётов были вооружены пушками АП-37 (Ш-37) калибра 37 мм и ещё пять — различными пушками меньшего калибра, включая МП-6, ВЯ-23 и опытную пушку конструкции Салищева — Галкина. В единственном экземпляре построили двухместный пассажирский ЛаГГ-3 (№ 312129).
Неудовлетворительные лётные данные истребителя привели к тому, что его выпуск начали сворачивать. В январе 1942 г. вышло постановление ГКО о снятии машины с производства в Новосибирске. Начиная с декабря 1941 г. периодически рассматривался вопрос о прекращении сборки ЛаГГ-3 и в Горьком.
Правда, после возвращения из эвакуации в апреле 1942 г. завода № 301, там, наряду с ремонтом доставленных с фронта машин, выпустили небольшую партию новых ЛаГГ-3, но серьёзного влияния на его производство в целом это не оказало.
Лавочкин боролся за свою машину, сделав упор на повышение тяговооруженности. Путей существовало два: использовать усовершенствованные варианты проверенного М-105 или переходить на принципиально иной двигатель. Работали по обоим направлениям.
Кстати, недостаточная мощность М-105 сдерживала улучшение лётных характеристик не только ЛаГГ-3, но и яковлевских истребителей. В начале 1942 г. по инициативе НИИ ВВС и ОКБ А. С. Яковлева мотор форсировали по наддуву. За счёт некоторого снижения высотности удалось поднять взлётную мощность с 1020 до 1210 л.с., а номинальную с 1100 л.с. на высоте 2000 м до 1260 л.с. на 700 м. Эта добавка оказалась весьма существенной. ЛаГГ-3 с М-105ПФ мог летать на 25–28 км/ч быстрее.
Вторым направлением стал переход на значительно более мощный М-82. Приспособить этот двухрядный звездообразный двигатель воздушного охлаждения к планеру ЛаГГ-3 представляло собой определённую проблему. Этот путь привёл позднее к появлению весьма удачного истребителя Ла-5.
Но наркомат не хотел ждать. 8 апреля 1942 г. вышел приказ о переводе завода № 21 на выпуск Як-7. Конструкторское бюро Лавочкина должно было перебраться в Тбилиси, где собирались продолжать выпуск ЛаГГ-3. Однако ещё в марте начал летать опытный образец будущего Ла-5 (называвшийся тогда ЛаГГ-3 М-82). Удачно пройдя государственные испытания, он был запущен в серийное производство.
Решение о переходе на Як-7 отменили. Завод № 21 продолжил выпуск ЛаГГ-3. В цехах их постепенно вытесняли Ла-5, для которых использовали уже готовые планеры с доработкой фюзеляжа. При этом ГКО постановлением от 19 мая 1942 г. обязал заводы № 21 и № 31 не позднее 25 мая перейти на выпуск ЛаГГ-3 только с моторами М-105ПФ. Согласно другому постановлению, от 7 июня 1942 г., завод № 21 должен был строить ЛаГГ-3 с автоматическими предкрылками и убирающимся костыльным колесом, а также с улучшенной компенсацией элеронов и рулей высоты. Выпуск первых усовершенствованных машин требовалось начать с 1 июля, но завод, занятый переходом на Ла-5, эти распоряжения фактически не выполнил: на 12 июля заказчик принял лишь семь ЛаГГ-3 с предкрылками. В том же месяце завод построил ещё 30 таких же машин и подготовил к сдаче столько же, но без предкрылков.
Все самолёты двух последних серий, 28-й и 29-й, сдававшихся в Горьком летом 1942 г., имели моторы М-105ПФ. Общий выхлопной коллектор заменили тремя сдвоенными патрубками. Консольные бензобаки восстановили. Вооружение соответствовало «облегчённому» варианту: одна пушка ШВАК и один пулемёт БС. В соответствии с приказом НКАП от 13 июля директору завода № 293 Болховитинову и главному конструктору М. И. Гудкову поручили установку на ЛаГГ-3 новой 20-мм пушки Березина, но из этого ничего не вышло.