Выпуск истребителя Як-7 был начат уже в августе 1941 года. Параллельно в конструкцию вносились изменения, касавшиеся как самолетных систем, так и аэродинамических свойств, в том числе: убирающимся сделано хвостовое колесо, установлены дополнительные щитки, закрывающие ниши основного шасси в убранном положении; фонарь задней кабины заменен откидывающимся фанерным колпаком, изменена конструкция газоотводных труб пулеметов, установлено управление форсажом двигателя; установлена система заполнения бензобаков нейтральным газом и ряд других доработок.
В период с января по май 1942 года было построено 277 усовершенствованных истребителей Як-7А. С апреля по июль выпускалась также модификация Як-7Б с улучшенной аэродинамикой и 12,7-мм пулеметами УБС. Еще одним новшеством стала установка дополнительного 80-л бака на месте задней кабины. Впрочем, к наличию не имеющего защиты бака с горючим у себя за спиной летчики отнеслись крайне отрицательно, и еще до того, как было отдано соответствующее официальное указание, в частях его массово демонтировали.
Совершенствование Як-7 во многом осуществлялось аналогично Як-1, а местами и предшествовало ему. Так, помимо замены пулеметов ШКАС на пару БС, в результате чего вес секундного залпа достиг внушительной величины 2,72 кг, в середине 1942 года самолет получил более мощный мотор МП-105ПФ, а впоследствии и новый каплевидный фонарь.
В то же время Як-7 оказался не лишен множества недостатков. Из-за смещения центра тяжести самолет был склонен к капотированию при пробеге, кроме того, не были устранены и изначально характерные для Яков дефекты – такие как забрызгивание козырька фонаря маслом или неудовлетворительная работа систем охлаждения воды и масла, ограничивающие возможность эксплуатации двигателя на максимальной мощности. Тем не менее выпуск Як-7Б М-105ПФ продолжался с мая 1942 года и по июль 1944 года, составив 5120 машин.
В целом же было создано 18 основных модификаций, связанных с изменениями конструкции планера, силовой установки, состава вооружения и оборудования, из которых 10 выпускались в серии.
Одна из серийных модификаций, в небольших количествах строившаяся для нужд ПВО, оснащалась радиополукомпасом и прожектором на левом крыле.
Около 350 Як-7Б М-105ПФ были оснащены кронштейнами для установки в задней кабине авиационных фотоаппаратов (кроме того, в полу кабины прорезалось «окно»), предполагая возможность использования в качестве разведчиков.
В соответствии с уже упоминавшимся приказом Наркомата авиационной промышленности № 438 в конце 1941 года был построен и истребитель с двигателем воздушного охлаждения М-82. Вооружение самолета состояло из двух пушек ШВАК, причем имевших непривычное для советских истребителей расположение – в крыльях – и синхронного пулемета БС.
Попытка оказалась неудачной: в период с 23 января по 13 марта 1942 года было произведено всего 17 полетов, сопровождавшихся частыми отказами недоработанных двигателей, масляной и топливной систем. Кроме того, конструкция самолета не позволяла установить винт оптимального диаметра 3,2 метра, при взлете «цеплявшего землю», а при применении винта меньшего размера значительно снижалась эффективность более мощного мотора. В результате полученные данные незначительно отличались от характеристик серийной машины, и уже в марте работу над Як-7М-82 прекратили.
В мае 1942 года на базе Як-7Б с новым крылом, в котором использовались лонжероны из дюралюминия, был построен опытный самолет, которому отводилась роль дальнего разведчика с возможностью включения в экипаж наблюдателя (или перевозки пассажира) либо установки вместо второго сиденья авиационного фотоаппарата. На самолете было установлено 11 бензобаков общей емкостью 925 л (690 кг), что дало возможность увеличить дальность полета до 2285 км (при этом самолет находился в воздухе около 6,5 часа). Вооружен разведчик был одно пушкой ШВАК.
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».