Примерно 200 истребителей с моторами М-82 построили с накладными фальшбортами, а затем сделали стапель для выклейки нового фюзеляжа. Все серийные Ла-5 оснащались радиоприемниками, а каждый третий — и радиопередатчиком (машины командиров звеньев и выше). После непродолжительного периода, когда выпускавшиеся Ла-5 обладали значительным количеством производственных дефектов, прежде всего в винтомоторной группе, качество продукции удалось улучшить. Серийные Ла-5 обладали характеристиками, худшими по сравнению с данными опытной машины (обычное явление при изготовлении самолетов деревянной конструкции), уступая опытной машине примерно 20 км/ч на всех высотах, зато были более безопасны для летчиков при энергичном маневрировании за счет установки предкрылков.

Первым из советских авиационных частей истребителями Ла-5 был вооружен 49-й Краснознаменный иап (истребительный авиационный полк), входивший в состав 234-й иад (истребительной авиационной дивизии) 1-й воздушной армии Западного фронта. В период с 14 по 24 августа 1942 г. полк совершил 180 боевых вылетов и сбил 16 самолетов противника, потеряв десять своих истребителей и пять пилотов. В докладе НИИ ВВС главному инженеру ВВС генералу А.К. Репину отмечалось:

«Первый опыт эксплуатации моторов М-82 на самолетах-истребителях показывает удовлетворительные результаты. Летный и технический состав дает положительную оценку самолету ЛаГГ-5…»

Осенью 1942 г. руководство ВВС КА зафиксировало появление на фронте новых немецких истребителей Bf 109G-2 и FW 190А. Обе машины обладали максимальной скоростью полета, превышавшей 610 км/ч на расчетной высоте, в то время как серийный Ла-5 мог разогнаться только до 580 км/ч на высоте 6200 м. В декабре 1942 г. Лавочкин получил распоряжение о срочной установке на истребитель Ла-5 мотора М-82Ф, отличавшегося от обычного М-82 неограниченной продолжительностью работы на форсаже на первой ступени приводного нагнетателя (прежде форсирование более чем на 5 минут запрещалось, а реально летчики вовсе не использовали этот режим из-за сильного перегрева двигателя). В результате номинальная мощность мотора у земли выросла на 160 л.с., что обеспечило заметное увеличение скорости полета и скороподъемности в диапазоне высот от земли до высоты 2500 м, однако при этом максимальная скорость на больших высотах осталась прежней. Все же установка моторов М-82Ф при отсутствии «видимого прогресса» в абсолютных показателях оказалась очень важной. Большинство боев на советско-германском фронте происходило на высотах менее 3000 м, и именно в этом диапазоне скоростные качества Ла-5Ф заметно улучшились (по данным Научно-испытательного института ВВС КА, лавочкинский истребитель превосходил здесь и Bf 109G-2, и FW 190А).

Во второй половине 1942 г. небольшое количество Ла-5 построил тбилисский завод № 31, а с 1943 г. к производству машины с мотором воздушного охлаждения подключили завод № 99 в Улан-Удэ и № 381 в Нижнем Тагиле. Однако все три упомянутых предприятия внесли незначительный вклад в общую «копилку» — не более 8 % от суммарного числа построенных истребителей Ла-5. Основную нагрузку нес горьковский завод № 21, где в 1943 г. ежедневный выпуск «пятерок» довели до 16 машин. Иными словами, каждые два дня на фронт подавалось количество самолетов, необходимое для укомплектования нового авиаполка.

Этот истребитель был построен на средства, собранные жителями Горьковской области, и несет на борту надпись «Эскадрилья Валерий Чкалов». Таких машин было построено около восьмидесяти, они относились к разным сериям и передавались в несколько полков BBC КА и авиации флота. Самолет с бортовым номером «66» входил в состав 159-го иап.

В январе 1943 г. завершились государственные испытания модернизированного истребителя Ла-5Ф (№ 9210101), отличавшегося уменьшенным запасом топлива (вместо пяти баков он имел всего три, что способствовало уменьшению массы машины, но сократило дальность полета) и пониженным гаргротом фюзеляжа. Обзор из кабины назад стал гораздо лучше. Были введены и некоторые усовершенствования в аэродинамике, в частности проведена герметизация стыков, створок капота, туннеля маслорадиатора, других мероприятий по рекомендациям ЛИИ и ЦАГИ. Вооружение машины состояло из пушки ШВАК-20 и пулемета УБС-12,7 мм. Самолет обладал максимальной скоростью 582 км/ч на высоте 3600 м (большей, чем у FW 190А-4 на этой же высоте) и 600 км/ч — на 6300 м (здесь он уступал немецкому истребителю).

Одним из слабых мест силовой установки Ла-5 оказался карбюратор, который неважно работал на больших высотах и не терпел длительных (более нескольких секунд) отрицательных перегрузок. Кроме того, он требовал периодической тщательной регулировки, в противном случае расход топлива резко возрастал без увеличения мощности мотора. В начале 1943 г. конструкторы пермского ОКБ А.Д. Швецова внедрили в серийное производство улучшенный вариант двигателя М-82ФН с аппаратурой непосредственного впрыска топлива в цилиндры. В результате мотор потяжелел на 30 кг, но зато он стал мощнее на 150 л.с. у земли и на 90 л.с. — на высоте 1650 м. Дополнительная мощность силовой установки позволила несколько улучшить летные характеристики истребителя. Конструкторы ОКБ С.А. Лавочкина сделали еще один важный шаг — они улучшили герметизацию фюзеляжа машины, сделали хвостовое колесо убирающимся и усовершенствовали форму «зализов» в зоне крепления крыла к фюзеляжу, что способствовало уменьшению аэродинамического сопротивления. Была увеличена площадь руля высоты при неизменной площади горизонтального оперения; нагрузки на ручку управления при пилотировании стали меньше.

На стоянке истребителя Ла-5ФН. Самолет имеет пониженный закабинный гаргрот и фонарь, обеспечивавший лучший обзор назад. Канал воздухопровода к нагнетателю двигателя вынесен из капота мотора и проходит поверх него. На заднем плане — транспортный самолет Ли-2.

В апреле 1943 г. завершились государственные испытания опытного Ла-5ФН, а в июне — серийного Ла-5ФН (№ 39210104), максимальная скорость которого на высоте 5800 м составила 610 км/ч, а на 2000 м — 590 км/ч, в то время как FW 190А-4 развивал только 544 км/ч на высоте 1800 м (по советским данным). В небе над Курской дугой в июле 1943 г. этим истребителям суждено было сразиться в одной из наиболее известных воздушных битв Великой Отечественной войны. За этот месяц 8-я гв. иад, например, располагавшая накануне начала сражения 111 Ла-5 и Ла-5Ф, потеряла 61 машину (55 %). Однако и немцам пришлось несладко: за этот же период на Восточном фронте три группы 51-й истребительной эскадры лишились 94 FW 190А (из 132 имевшихся), а две группы 54-й эскадры — 54 FW 190А (из 76 имевшихся), что соответствовало 71 %-ным потерям.

Официальные войсковые испытания Ла-5ФН проходил в июле — августе 1943 г. в 32-м гв. иап 1-го гв. иак на Брянском фронте. Из отчета следует, что, потеряв всего четыре своих истребителя, полк уничтожил 33 немецких самолета, в том числе 21 FW 190А (вероятно, эти успехи серьезно преувеличены). В целом 3-я гв. иад, в составе которой сражался 32-й гв. иап, сильно пострадала, лишившись 60 Ла-5 из имевшихся на 1 июля 83 машин. Это неудивительно, поскольку накал сражений, особенно в середине июля, был исключительным, а средняя квалификация