Наряду с вариантами фронтового истребителя в серии строились истребители сопровождения с дальностью полёта до 2200 км, истребители с пушками калибра 37 мм и 45 мм, истребители-бомбардировщики с внутренней подвеской до 400 кг бомб, высотные перехватчика ПВО с потолком до 13 тыс. м, разведчики с фотооборудованием, двухместные учебно-тренировочные истребители. Проходили испытания опытные истребители: высотный И-28 со скоростью 665 км/ч и потолком 12 000 м (1940), трёхпушечный И-30 (1941), Як-7 с двумя дополнительными ПВРД (1944), Як-3 с дополнительной ЖРД, показавший скорость 782 км/ч (1944), и др. Все они имели ПД М-105 или ВК-107 в различных модификациях.



Истребители Як имели отработанную на спортивных самолётах АИР конструкцию: каркас фюзеляжа из стальных труб, деревянные (позже из дуралюмина) лонжероны, полотняную и фанерную (позже из дуралюмина) обшивку крыла. В условиях военного времени в ОКБ был выбран путь развития конструкции самолётов посредством систематического внесения сравнительно небольших изменений от серии к серии без ущерба для количеств, выпуска. Улучшалась аэродинамика планёра и увеличивалась мощность двигателя, что обеспечило рост скорости серийных машин с 580 до 720 км/ч; усиливалось вооружение по калибру и числу огневых точек; по мере снижения дефицитности дуралюмина возрастала доля его применения, что позволяло снижать массу конструкции самолёта.



Так, Як-3 при массе 2660 кг был самым лёгким и манёвренным истребителем 2-й мировой войны. В ходе войны выявились преимущества истребителей Як перед самолётами, у которых преобладало одно качество (например скорость или мощность вооружения), и истребители Як строились в наибольших количествах — 36 737 самолётов (около 60% выпуска всех советских истребителей в годы войны). На экспериментальном Як-3 с ПД ВК-108 в декабре 1944 г., была достигнута наибольшая скорость для советских самолётов с ПД — 745 км/ч. В декабре 1945 г., на базе серийного самолёта Як-3 был построен реактивный истребитель Як-15, отличавшийся в основном установкой ТРД в носовой части фюзеляжа с выхлопом под фюзеляж («реданная схема»).