Уже после этого при разборке правой амортизационной стойки в ее цилиндре обнаружили поломку «иглы». Естественно, были приняты соответствующие меры по устранению обнаруженных дефектов.
После этого все три Як-3 ВК-107А Саратовского завода передали в НИИ ВВС. Государственные испытания машины начались 10 апреля 1946 года, и 20 мая из-за неудовлетворительной работы силовой установки они были прекращены.
После доводки в ЛИИ 29 июня Як-3 ВК-107А № 0101 поступил на повторные государственные испытания, проходившие с 5 по 30 июля. В ходе испытаний к ним подключились самолеты № 0301 и № 0401 (полетный вес – 2991 кг). Причем в состав вооружения первых двух машин входили мотор-пушка Б-20М и две синхронные Б-2 °C с общим боекомплектом 360 патронов, а № 0401 предъявили с двумя синхронными орудиями.
На самолетах стояли приемник РСИ-6 и передатчик РСИ-6М, электрогенераторы ГС-15–200 и аккумуляторы 12А-5, а также кислородные приборы КП-14 с двумя баллонами.
Ведущими на этом этапе были инженер А. Т. Степанец, летчики А. Г. Прошаков, В. И. Хомяков, Ю. А. Антипов. Самолеты облетали В. Е. Голофастов, В. Г. Иванов, Л. М. Кувшинов и П. М. Стефановский.
Общий результат государственных испытаний, несмотря на предпринятые меры, оказался отрицательным. Полетный вес самолета превысил 3050 кг. При этом максимальная скорость упала до 695 км/ч. По характеристикам горизонтального и вертикального маневров Як-3 сравнялся с Як-9У (уступая немного в горизонтальном маневре), хотя имел некоторое преимущество перед американским истребителем Р-63С-1 «Кингкобра» в вертикальном маневре и уступал британскому истребителю «Спитфайр» IX (при использовании последним пятиминутного боевого режима мотора). Серьезные дефекты силовой установки, не позволившие реализовать все возможности мотора, так и остались неустраненными. При этом специалисты НИИ ВВС сочли возможным разрешить самолетостроителям подготовить 30 машин для войсковых испытаний, но Совет Министров СССР решил иначе. Своим Постановлением от 20 августа 1946 года он прекратил серийный выпуск самолетов Як-3 с ВК-107А, разрешив заводу № 31 собрать из существующего задела лишь 75 самолетов с устранением на них дефектов, отмеченных на испытаниях серийных машин завода № 292. Объем требуемых работ был велик, и заводу № 31 (решая параллельно более важные задачи по освоению выпуска реактивной техники) удалось передать ВВС только 48 Як-3 с двигателем ВК-107А.
Тогда же по указанию А. С. Яковлева на первом серийном самолете № 0101 завода № 292 усилили крыло и провели ряд доработок по улучшению тактических и эксплуатационных качеств истребителя. В частности, установили новый маслорадиатор, сохранив прежние размеры проходных сечений воздушных тоннелей. После 29 полетов общей продолжительностью 15,5 часа была получена скорость у земли 592 км/ч и на высоте 6150 метров – 712 км/ч. Температура охлаждающей жидкости на прямой не превышала 107 градусов и в наборе высоты – 117 градусов на 4000 метрах, а масла – 107 и 117 градусов соответственно. Таким образом, тенденций к улучшению температурного режима работы двигателя по сравнению с машиной № 70–03 не наблюдалось. Тогда (в который раз) установили новый маслорадиатор и увеличили проходные сечения тоннеля. Но и это ничего не дало.
Серьезные дефекты машины были выявлены и в ходе заводских эксплуатационных испытаний. В итоге дальнейшие работы по Як-3 с двигателем ВК-107А прекратили. Завод в Саратове выпустил лишь три истребителя.
В 1946 году в ходе государственных испытаний серийных Як-9 провели воздушный бой с Як-3, оснащенным таким же мотором ВК-107А. Бой показал, что на горизонталях Як-9 имел небольшое преимущество перед Як-3 и заходил в хвост «тройке» на дистанцию 200–300 метров через шесть-семь виражей, а на вертикалях Як-3 имел лишь незначительное преимущество. Кроме этого, было установлено, что Як-9 легче поддавался модернизации в другие варианты по сравнению с Як-3. Это обстоятельство в совокупности со сложностью обеспечения температурного режима работы двигателя ВК-107А и привело к прекращению дальнейших работ по Як-3 и свертыванию его серийного производства.
В связи с ужесточением заказчиком эксплуатационных требований к авиационной технике весной 1945 года на серийном Як-3 с мотором ВК-107А завода № 31 под руководством ведущего инженера К. А. Скржинского заменили фанерную обшивку фюзеляжа дюралюминиевой, а на рулях и элеронах перешли с ткани на легкий магниевый сплав «Электрон». Одновременно стальные тяги управления рулями и элеронами, а также стаканы гидроприводов выпуска посадочных щитков заменили дюралевыми. Кабину летчика сместили назад на 400 мм и установили маслорадиатор ОП-700 с увеличенной охлаждающей поверхностью. На 30 кг снизили запас бензина и на восемь – масла. Установили дополнительную маслопомпу. В итоге самолет полегчал на 49 кг.