В НИИ ВВС Як-3 ВК-107А № 2 предъявили 2 февраля 1944 года. В тот день заводской пилот выполнил два полета на проверку работы винта ВИШ-107 (во время заводских испытаний была отмечена тряска винта на полных оборотах мотора). Характеристика винтомоторной группы осталась неизменной, и в НИИ ВВС самолет поступил с винтом АВ-10п-20. Государственные испытания начались 7 февраля и продолжались по 15 мая 1944 года. Ведущими по машине были инженер Г. А. Седов, летчики Ю. А. Антипов и А. Г. Прошаков.

Несмотря на несколько возросший полетный вес (как за счет установки нового винта, так и введения в крыло противофлаттерных грузов), летные данные машины остались неизменными. При боевой мощности мотора (допускалось 3200 оборотов в минуту в течение получаса) максимальная скорость горизонтального полета на второй границе высотности мотора 5750 метров составила 720 км/ч (717 км/ч на высоте 6000 метров у первого прототипа). Если горизонтальная маневренность машины осталась на уровне серийных образцов Як-3, то на вертикалях самолету не стало равных среди отечественных и среди зарубежных истребителей. Достаточно сказать, что за боевой разворот второй опытный экземпляр Як-3 ВК-107А поднимался на 1400–1500 метров.

Компоновка Як-3 с двигателем ВК-107А.

Схема вооружения Як-1 с мотором М-107А.

Таким образом, цель создания истребителя завоевания господства в воздухе можно было бы считать достигнутой, если бы не два обстоятельства. Первое из них — крайне ненадежная работа двигателя ВК-107А. За время испытаний сменили три мотора из-за разрушения коренных подшипников. При назначенном ресурсе в 50 часов первые два двигателя 337-й и 347-й серий отработали лишь 15 часов 20 минут и 9 часов 20 минут соответственно. Третий мотор 347-й серии, с назначенным ресурсом 100 часов, наработал с начала эксплуатации лишь четыре часа (!), из которых в воздухе — 40 минут. Четвертый двигатель успел наработать только 23 часа 34 минуты, прошел в процессе испытаний ремонт с заменой блока и тоже был снят по причине разрушения коренных подшипников. Сильная тряска на пониженных оборотах мотора при его дросселировании выше границы высотности, течь масла через переднее уплотнение редуктора, падение давления масла ниже допустимого на высотах более 8000 метров, перегрев воды и масла в наборе высоты при температуре наружного воздуха у земли +30°С, а в горизонтальном полете — при температуре +15°С. В полетах отмечалось также самопроизвольное изменение наддува в наборе высоты выше установленных для мотора значений (1090 мм рт. ст. на первой и 1120 мм рт. ст. на второй границе высотности против разрешенных 1060 мм рт. ст.), не повлиявшее тем не менее на его нормальную работу.

Следует заметить, что двигатель ВК-107А, как и ВК-105ПФ2, работал на бензинах 4Б-78 и 1Б-95 с октановыми числами 95 и 96.

Вторым существенным недостатком явилась неудовлетворительная работа опытных пушек Б-20 и низкая прочность их креплений (были использованы серийные узлы для пулеметов УБС).

В своем заключении специалисты НИИ ВВС отметили необходимость доводки самолета, и прежде всего силовой установки, до внедрения его в серийное производство. В противном случае исключалась нормальная эксплуатация самолета с поддержанием необходимого уровня боеготовности в строевых частях.

Як-3 «Дублер» с двигателем ВК-107А выпуска зав. № 115 проходил государственные испытания с винтами АВ-10п-20 и ВИШ-107ЛО с февраля по май 1944 г.

Доводку второго прототипа завершили силами ОКБ и облетали 3 июля 1944 года. Однако на дополнительные государственные испытания, проходившие с 13 июля по 20 августа 1944 года, предъявили модифицированный по типу второй машины Як-3 ВК-107А № 1. Принятыми мерами удалось устранить ряд дефектов. Однако основные недостатки: перегрев воды и масла, течь масла из переднего уплотнения редуктора мотора, большие нагрузки на ручку управления от элеронов и руля высоты, недостаточный противокапотажный угол (смещением кабины пилота добились увеличения противокапотажного угла с 19,5 до 23 градусов при требуемых ВВС 26 градусов) и недостаточная дальность радиопередачи с самолета — остались неустраненными. В ходе испытаний мотор 417-й серии из-за ненадежной работы на высоте более 3000 метров заменили двигателем 427-й серии, который работал практически без перебоев, но выше 7700 метров давление топлива на нем падало ниже допустимого уровня.

К моменту окончания испытаний опытного Як-3 ВК-107А еще только-только удалось наладить серийное производство его базовой модели с мотором ВК-105ПФ-2. Не меньшие трудности испытывали и заводы, приступившие к серийному выпуску Як-9У с ВК-107А. Поэтому решение о запуске новой модификации в серийное производство было отложено до конца года.

29 декабря 1944 года в числе принятых десяти постановлений ГКО, направленных на организацию выпуска новых самолетов, был документ, давший зеленую улицу серийному производству Як-3 с мотором ВК-107А. Подписанный на основе постановления ГКО приказ наркома авиационной промышленности предписывал заводу № 31 перейти с мая 1945 года на изготовление новой машины так, чтобы к июлю выпускать по одному такому самолету в день. Основным отличием серийных машин по сравнению со вторым прототипом должно было стать цельнометаллическое крыло.

Подтеки масла на кожухе водорадиатора самолета Як-3 с двигателем ВК-107А «Дублер».

Планировалось в марте 1945 года изготовить пять машин головной серии, и в апреле одна из них должна была пройти государственные испытания. К 1 апреля 1945 года головную серийную машину № 7003 завода № 31 доставили по железной дороге на завод № 115. Стыковка самолета и исправление производственных дефектов продолжались до 12 апреля, когда самолет выкатили на аэродром. От опытных машин он отличался лишь металлическим крылом. На передних частях центропланных щитков шасси были смонтированы замки бомбового типа, качалки управления рулем высоты установлены на шарикоподшипниках, а на двигателе — дополнительная маслопомпа и модифицированный регулятор наддува. Сняты расходный бачок и обратные клапаны бензобаков. На правую и левую группы топливных баков поставили отдельные пожарные краны и уменьшили запас бензина с 524 до 470 литров. Кроме этого, заменили маслорадиатор типа 555 на ОП-622 с большей охлаждающей поверхностью, а в качестве передатчика использовали РСИ-3М-1.