Самолет Як-7Д остался в единственном экземпляре, но ряд заложенных в нем конструкторских идей был использован в следующей модификации дальнего истребителя: Як-7ДИ. Созданный на базе Як-7Б самолет принимал 673 л (500 кг) топлива, нес мотор-пушку ШВАК и один пулемет БС. При этом даже при неполной заправке он при летных данных, сопоставимых с Як-7Б, имел большую дальность и продолжительность полета, а при минимальной заправке 320 кг, сравнимой с запасом топлива Як-7Б, выделялся среди всех уже серийно выпускавшихся истребителей. По итогам завершившихся в начале августа 1942 года государственных испытаний самолет был рекомендован к выпуску, получив в серии наименование Як-9.

Як-9 стал самым многочисленным типом истребителя ВВС РККА. Всего в течение периода выпуска – с октября 1942 по декабрь 1948 года – было построено более 16,7 тысячи самолетов, из которых свыше 15 тысяч получили боевые полки в годы войны.

Было разработано 22 основных модификации истребителя, из которых серийно выпускалось 15, различавшихся в числе прочего и предназначением: фронтовой истребитель с различными вариантами вооружения, дальний истребитель сопровождения, истребитель-бомбардировщик, разведчик, высотный перехватчик и даже двухместный курьерский самолет. На Як-9 устанавливались пять типов двигателей (новых или модифицированных), применялось шесть вариантов установки топливных баков, в семи различных комбинациях устанавливалось бортовое вооружение.

Первый в линейке – истребитель Як-9 – был запущен в серию как легкая, маневренная скоростная боевая машина. Поскольку вопрос о действиях на большом удалении от линии фронта не стоял, самолет имел по два бака в каждом крыле, вмещавших в сумме 320 кг авиабензина топлива. В состав вооружения входила пушка ШВАК и один 12,7-мм пулемет УБС. Благодаря применению дюраля, в частности в конструкции крыла, самолет при этом стал существенно легче своего предшественника Як-7Б.

В то же время освоение новой машины производством проходило достаточно медленно и осложнялось значительным процентом брака, достаточно, впрочем, типичным с учетом невысокой культуры производства на советских промышленных предприятиях, что дополнительно усугублялось привлечением неквалифицированной рабочей силы. Хотя, как правило, рабочие авиапрома имели бронь от фронта, все же рабочих рук не хватало и к станкам нередко становились подростки. А в начале июня 1943 года произошел инцидент, который мог иметь серьезные последствия: накануне готовившегося сражения под Курском значительная часть находящихся в боевых частях истребителей, выпущенных омским заводом № 166, оказалась фактически небоеспособной. На значительном числе самолетов были зафиксированы случаи срыва в полете обшивки плоскостей, что привело к ряду аварий. Причиной стало низкое качество компонентов нитрокраски советского производства, примененных взамен отсутствующих импортных. Этот случай привел к крайне неприятному разговору со Сталиным самого Яковлева и заместителя наркома авиапромышленности П. Дементьева.

Тем не менее Як-9 постепенно завоевывал свое место в строевых частях, позволяя, по отзывам летчиков, более уверенно противостоять истребителям люфтваффе. Тем не менее говорить о превосходстве над немецкими истребителями новых типов было преждевременно. Одной из попыток улучшить характеристики истребителя стала установка двигателя М-106, на который Яковлев продолжал возлагать надежды. Однако устранить дефекты двигателя – в том числе сильную вибрацию, выброс масла, детонацию, дымление, повышенный износ свечей – так и не удалось. В 1943 году производство мотора М-106 было полностью прекращено, а дальнейшее совершенствование самолета было ориентировано на двигатель М-105ПФ.

С переходом Красной Армии к наступлению вновь приобрела актуальность задача обеспечения действия истребительной авиации на значительном удалении от своих аэродромов. Для ее решения КБ Яковлева был создан дальний истребитель Як-9Д, выпуск которого был начат в марте 1943 года. Основным его отличием стало наличие четырех топливных баков емкостью 650 л, что обеспечивало практическую дальность до 1360 км. При полной заправке маневренность и скороподъёмность истребителя неизбежно ухудшались, однако по мере расхода топлива и снижения веса летные характеристики становились сравнимы с исходными.

В 1944 году был создан дальний истребитель Як-9ДД, дальность полета которого достигала 2285 км при продолжительности полета 6,5 часа. Самолет был оборудован девятью топливными баками общей емкостью 845 л (630 кг), получив в войсках прозвище «летающая цистерна». Одной из операций, осуществленных советскими летчиками на Як-9ДД, стал 1300-километровый перелет 12 истребителей в августе 1944 года на аэродром в Бари (Италия) для обеспечения сопровождения действий транспортных самолетов по снабжению партизанских отрядов на территории Югославии.

С 1943 года небольшой партией выпускался разведчик Як-9Р, применявшийся в двух вариантах – ближнем, в который, как правило, переоборудовались серийные Як-9, и дальнем, строившемся в заводских условиях на базе Як-9Д. Вариант дальнего разведчика оборудовался аэрофотоаппаратом АФА-ЗС/50, радиополукомпасом, авиагоризонтом, четырьмя бензобаками емкостью 480 кг и имел дальность полета до 1400 км. При этом на части самолетов сохранилось штатное вооружение из одной пушки ШВАК и пулемета УБС, на других устанавливалась только пушка.

Одним из существенных недостатков истребителей Яковлева, по мнению некоторых советских летчиков, была недостаточная огневая мощь – одна 20-мм пушка и один-два пулемета. Относился к их числу и А. Покрышкин, считавший, что «… для борьбы с бомбардировщиками необходимо… как минимум две-три пушки».

Однако хотя советский ас в своих мемуарах утверждал, что его пожелания, высказанные лично А.С. Яковлеву, были восприняты конструктором негативно, было бы ошибкой считать, что в КБ этому вопросу не придавали значения. Еще в апреле 1941 года под руководством К. Виганта был создан самолет И-30, получивший также предварительное обозначение Як-3. Машина имела ряд существенных отличий от И-26 (Як-1) – в том числе такие принципиальные, как цельнометаллическое разъёмное крыло, металлическое хвостовое оперение, шасси улучшенной конструкции, а также козырек фонаря без переплета, предкрылки, посадочная фара и ряд иных. При этом, помимо мотор-пушки на истребитель были установлены два крыльевых орудия ШВАК и пара пулеметов ШКАС. Машину уже готовили к передаче в серийное производство, однако начало войны и последовавшая эвакуация и образовавшийся дефицит алюминия не позволили запустить самолет в серию.

Осенью 1941 года группой инженеров ОКБ Яковлева, занимавшихся организацией серийного выпуска Яков на саратовском заводе № 292, был предложен собственный вариант боевой машины на базе Як-7 УТИ, которая имела только пушечное вооружение по типу И-30. В серию машина не передавалась: помимо сомнений в эффективности такой схемы вооружения при отсутствии пулеметов, сыграла роль и необходимость значительного изменения технологического процесса, и дефицит авиапушек, поставляемых оружейниками.

«Трехпушечный» Як-7 все же принимал участие в боевых действиях – правда, создан он был в конце 1943 года не в заводских условиях, а силами специалистов 281-й самолетной авиаремонтной мастерской 1-й воздушной армии, которые использовав элементы установки вооружения истребителя Ла-5 и британского «харрикейна», заменили двумя синхронными пушками ШВАК «штатные» пулеметы УБС. Схема вызвала интерес у конструкторов ОКБ Яковлева и на заключительном этапе войны была использована на серийных модификациях.