«Дублер» проходил заводские испытания в период с 20 по 30 сентября 1943 года. Самолетом управлял П. Федоров. Государственные испытания прошли с 6 по 15 октября, на этот раз летчиком был А. Прошаков. Сравнительные испытания Як-1М с немецкими Bf 109G-2 и Fw 190A-4 показали превосходство «Яка», который уступал немецким машинам лишь в скорости горизонтального полета на высотах более 6000 м. «Дублер» развивал 570 км/ч у земли и 651 км/ч на высоте 4300 м. Высоту 5000 метров истребитель набирал за 4,1 мин. Дальность полета на экономическом режиме работы двигателя достигала 900 км. Самолет обладал хорошей маневренностью, был прост в пилотировании. Им мог управлять летчик средней квалификации.

Для начала серийного выпуска нового самолета нужно было получить положительные результаты испытания повторно форсированного двигателя. Двигатель оказался достаточно надежным и получил рекомендацию к серийному производству под обозначением М-105ПФ2. Выпуск мотора организовали на заводах № 16 и 26. Лишние моторы устанавливали на ЛаГГ-3 и другие машины. 26 октября 1943 года ГКО постановил начать серийный выпуск нового истребителя, заменив его обозначение с Як-1М на Як-3. Несмотря на генетическую связь со своим «предком», новый самолет имел слишком много совершенно новых узлов. Потребовалась перенастройка сборочных линий и массовый выпуск начался лишь через полгода. Кроме саратовского завода к выпуску Як-3 подключили тбилисский завод № 31, до этого времени выпускавший истребители ЛаГГ-3. Серийное производство Як-3 в Саратове началось в марте, а в Тбилиси в апреле 1944 года.

Слева направо: майор Замборин (Франции), генерал-майор Захаров, лейтенант Риссо (Франция) и майор Хустинский позируют на фоне Як-3 генерал-майора Захарова, командующего 303-й НАД (серийный номер 310147). Под фонарем кабины эмблема Захарова: витязь поражает змею с лицом Геббельса.

Техники готовят Як-3 Рожера Марши к очередному боевому вылету. Технический и аэродромный состав полка «Нормандия-Неман» был почти целиком русский. На крыле установлены указатель топлива и указатель положения шасси. Позади кабины сделаны тринадцать отметок о воздушных победах. Марши присоединился к полку 7 января 1944 года и 20 июня 1945 года вернулся во Францию. 17 июля 1946 года он погиб в авиакатастрофе.

Наконец речь пойдет об истребителе, который многими считается лучшим советским истребителем Второй Мировой войны. Причем, подобную оценку давали не только советские специалисты, но и немецкие асы — те, кому приходилось сталкиваться с «Яками» в бою. Например, Гельмут Липферт так описывает бой с Як-3, произошедший в районе Будапешта: «Примерно в это же время [январь 1945 года] мы столкнулись с новым Яком. Новейший советский истребитель был быстрее и маневреннее наших машин [Bf 109G-6 и G-10], нес похожее вооружение и лишь в пикировании уступал Bf 109». В первом бою советский пилот сел на хвост ведомому Липферта и едва не сбил его. В другом месте своих мемуаров Липферт писал: «Я находился под впечатлением от нового советского самолета. По моему мнению Як был опаснее «Мустанга»… Новые Яки встречались все чаще и чаще. Складывалось впечатление, что в воздухе нет ничего кроме Як-3. Хорошо, что мы уже имели опыт встреч с этими машинами. Многие наши коллеги не поверили нам и были убеждаемы очень неприятным способом… Мы потеряли несколько самолетов, моим друзьям приходилось прыгать с парашютом».

Александр Покрышкин в своей книге «Познать себя в бою» описывает свой опыт полетов на прототипе Як-3 с начале февраля 1944 года. «Хороший самолет для борьбы с истребителями. Но против бомбардировщиков требуется более мощное вооружение, минимум две-три пушки. То вооружение, что установлено на самолете, не позволяет сбить Не 111 или Ju 88 с первого захода, а тем более Hs 129. Я видел, что Яковлев неохотно слушает мои замечания, и мы остались каждый при своем мнении».

Еще до того разговора командующий советскими ВВС, маршал А.А. Новиков сказал Покрышкину: «… полетай на прототипе Як-3. Наши самолеты лучше иностранных. Надо переходить на отечественную технику». Однако 9-я ГИАД до конца войны пролетала на «Аэрокобрах». Командир 303-й ИАД Г. Захаров также хорошо отзывался о Яке-3. Вот фрагмент его рапорта, в котором он характеризует самолет: «Совершив 40 боевых вылетов, я считаю, что этот самолет не имеет конкурентов. Простой в эксплуатации и легкий в обслуживании. Устойчивый при взлете и посадке, пилотаж доступный для любого летчика. Пилоты 18-го ГИАП и полка «Нормандия-Неман» полностью освоили самолет за 3–5 часов учебных полетов. Як-3 быстро набирает скорость, имеет большой диапазон полетных скоростей (от 200 до 600 км/ч)… из кабины хороший обзор. В боях с Bf 109 наш истребитель показал превосходство в горизонтальном полете, на виражах, и прежде всего в вертикальном маневре. На высотах до 4000 м Як-3 на 20–30 км/ч обгоняет Fw 190". Уже не в рапорте, а на страницах своих позднейших воспоминаний советский генерал писал: «При пикировании со скоростью более 700 км/ч отмечались случаи срыва обшивки с крыльев и даже срыва самих крыльев». В воспоминаниях генерала Ф. Гнездила, начальника штаба 18-го ГИАП, отмечается, что на высотах более 4000 метров Bf 109G-2 не уступал «тройке».

Несмотря на то, что Як-3 имел большую предысторию в виде Як-1, в конструкции самолета сохранялись отдельные недостатки, требовавшие устранения. Требовалось усилить стойки главного шасси, которые часто подламывались. Пришлось усилить переднюю кромку крыльев и увеличить поверхность склеивания листов обшивки к нервюрам, чтобы избежать срыва обшивки при скоростях более 700 км/ч. Радикально решить проблему срыва обшивки удалось лишь заменив перкаль фанерой. Двигатель ПФ2 требовал еще более мощного охлаждения, поэтому заслонки водяного радиатора отодвинули с 385 мм до 410 мм, а маслорадиатора — с 225 до 260 мм. Аэродинамику самолета облагородили за счет сопряжения крыло-фюзеляж, обтекаемой формы лобового стекла и обтекателя втулки. Дополнительных результатов удалось добиться и за счет герметизации фюзеляжа. К сожалению, серийные машины уступали прототипу. Максимальная скорость была меньше на 10–20 км/ч, время набора 5000 м возросло на полминуты. Сильнее всего пострадала дальность полета: у серийных машин она была на 160–260 км меньше, чем у прототипа. Причиной этого было уменьшение запаса топлива и рост массы.

Як-3 с тактическим номером «24» желтого цвета, Хайлигенбайль, Восточная Пруссия, май 1945 года. Подобным образом обозначались только машины 2-й эскадрильи полка «Нормандия-Пеман».

Ремонт самолета Як-3, принадлежавшего Рожеру Соважу, Виттенберг, Восточная Пруссия, весна 1945 года. Небольшие балочные кресты за кабиной обозначают воздушные победы. Советские пилоты крестами воздушные победы никогда не обозначали.

На серийный самолет ставили старую испытанную пушку ШВАК. Поскольку ее масса была больше, число пулеметов УБС сократили до одного. С таким вооружением выпустили первых 197 Як-3. Один пулемет УБС устанавливали на левом борту. Потом, когда удалось поднять качество серийных самолетов и сократить его массу, на 4004 следующих истребителях установили 20-мм пушку ШВАК (120 выстрелов) и два УБС (150 патронов на ствол). По-прежнему не удавалось наладить производство достаточного количества радиостанций так, чтобы каждый самолет оснащался приемником и передатчиком. Все самолеты оборудовались приемниками, а передатчики имелись лишь на каждой второй машине.

Как и у Як-1, у Як-3 все недостатки постепенно устранялись в ходе серийного производства. С октября 1944 года серийные Як-3 по характеристикам вышли на уровень «дублера».