Як-9Б вышел на испытания в марте 1944 г. Они показали, что во фронтовых частях Як-9Б лучше использовать с бомбовой нагрузкой 200 кг поскольку при загрузке 400 кг статическая устойчивость самолета недопустимо снижалась, и в этом случае полеты на нем разрешались только летчикам с хорошей и отличной подготовкой.
Самолетами Як-9Б была вооружена 130-я истребительная авиационная дивизия, действовавшая на 3-м Белорусском фронте. Интересны результаты боевой работы этого соединения. В архиве Министерства обороны России имеются сведения о ее действиях с 18 декабря 1944 г. по 20 февраля 1945 г За этот период дивизия совершила 2494 боевых вылета. Было сброшено 356,5 т бомб и проведено 53 воздушных боя, в которых противник потерял 25 самолетов (20 FW190, 2 Bf 109G, 1 Ar5B, 2 Hs 129). В этих же боях сбито 4 Як-9Б и столько же подбито. Результаты бомбардировок; уничтожено танков – 29, бронетранспортеров – 11, автомашин – 1014, орудий – 7, паровозов – 18, железнодорожных вагонов – 161, станционных зданий – 20, складов горючего – 4 и т.д.
Несмотря на, казалось бы, положительные результаты боевой работы Як-9Б, фронтовые летчики дали ему невысокую оценку. Причина была до обидного простой – отсутствие специального прицела, который и установить в кабине одноместного истребителя не представлялось возможным. Летчики вынуждены были использовать простейшие и далеко не самые эффективные способы прицеливания, которые, к тому же, для разных режимов бомбометания существенно отличались. Например, при бомбометании с горизонтального полета летчик должен был визировать цель по капоту мотора, наметить впереди цели ориентир и выдерживать по нему курс, а бомбы сбросить через 3 секунды после «подхода цели к носу самолета». Не удивительно, что точность попадания оказывалась низкой. По этой причине Як-9Б не получил широкого распространения. В общей сложности было построено 109 таких истребителей – бомбардировщиков.
Так же, как Як-1 и Як-7, истребитель Як-9 применялся не только на фронтах, но и в системе ПВО, где он охранял объекты тыла от налетов вражеской авиации. С января по август 1943 г в части ПВО ежемесячно поставляли по тридцать два Як-9, а с августа 1943 г. – каждый десятый самолет этого типа. От фронтовых истребителей машины, предназначенные для ПВО, отличались только более разнообразным комплектом оборудования, фарой на левой консоли крыла и несколько меньшим весом за счет снятия брони и уменьшения запаса топлива.
Во второй половине 1942 г. в СССР активизировались работы по созданию высотных истребителей. Это было связано с тем, что с июля того года над Москвой на очень большой высоте (12-13 км) стали появляться немецкие разведчики Ju88R-1, которых не могли перехватить истребители ПВО. Такой поворот событий вызвал быструю реакцию руководства страны. В ноябре 1942 г. специальным постановлением Государственного Комитета Обороны несколько КБ, среди которых – А.С. Яковлева, СА Лавочкина, А.И. Микояна, получили задание срочно разработать высотный перехватчик. В коллективе Яковлева создание такого самолета велось на базе Як-9. Истребитель получил обозначение Як-9ПД и оснащался высотным мотором М-105ЛД, оборудованным двухступенчатым двух-скоростным нагнетателем Э-100 В.А. Доллежаля, и вооружался только одной 20-мм пушкой ШBAK.
В апреле 1943 г, было изготовлено пять Як-9ПД, которые отправили в 12-й Гвардейский истребительный авиаполк ПВО Москвы, где самолеты прошли испытания. Тогда успеха добиться не удалось. Мотор перегревался и на большой высоте работал нестабильно («обрезал»). Причинами этого стали очень высокая температура воздуха, поступавшего после второй ступени нагнетания, а также недостаточная эффективность радиаторов. В одном из полетов подп-к Л.А. Шолохов достиг высоты 12100 м и почти достал Ju 86 R-1, который забрался более, чем на 13000 м, однако из-за плохой работы мотора советский летчик не смог продолжить выполнение задания и вынужден был пойти на снижение.
Около года продолжались доводка и совершенствование истребителя. За этот период увеличили высотность М-105ПД с 6,3 км до 8,5 км, существенно облегчили самолет, изменили систему охлаждения, поставили новый винт и другое крыло большего размаха. Затем на самолет установили еще более высотный (9,5 км) мотор М-106ПВ с двухступенчатым двухскоростным нагнетателем, К работам по Як-9ПД подключили ведущие научные организации – ЦАГИ и ЛИИ. Самолет испытывали не только в полете, но и в натурной аэродинамической трубе. Однако успеха все не было: никак не удавалось добиться надежной работы силовой установки. Только в апреле 1944 г., когда М-106ПВ оборудовали системой впрыска водно-спиртовой смеси, охлаждавшей за счет интенсивного испарения сильно нагретый в нагнетателе воздух, удалось получить приемлемую надежность работы двигателя. До сих пор остается неясным, почему сразу не стали использовать водно-спиртовую смесь, ведь было известно, что на немецких моторах DB 605 и Jumo-213А такую систему применяли, а на английских высотных вариантах мотора «Мерлин» с той же целью устанавливали дополнительный радиатор.