На самолете деревянную обшивку фюзеляжа заменили металлической. Крыло предполагалось металлическим, но на опытной машине осталось прежнее – деревянной конструкции, но увеличенного размаха (из-за большей ширины фюзеляжа), до 9,4 метра (площадь – 15,35 м2). Это утяжелило машину на 35 кг.
Для обеспечения требуемой центровки и увеличения противокапотажного угла несущую поверхность сместили вперед на 219 мм (вместо 200 мм по проекту), а кабину пилота подняли на 84 мм для улучшения обзора. Но это помогло незначительно, и противокапотажный угол получился меньше, чем на серийном Як-3, что делало машину опасной на рулежке.
Ножное и ручное управление самолетом, по сравнению с серийным Як-3, смонтировали на фюзеляже, что было значительно удобнее при изготовлении его поточным методом и его расстыковке. Пол кабины был сделан легкосъемным для крепления педалей.
Кроме этого, установили мягкие (вместо металлических) баки, вмещавшие 340 кг горючего.
Для предотвращения отсоса посадочных щитков и щитков шасси, а также самопроизвольного выпадания костыльного колеса их снабдили дополнительными замками.
Расчеты показали, что при полетном весе 2792 кг максимальная скорость на высоте 6100 метров достигнет 705 км/ч, а время набора высоты 5000 метров – 4 минуты.
Опытная машина была в основном изготовлена весной 1945 года на заводе № 153 в Новосибирске, а ее сборка завершилась в Москве. На самолете поставили две синхронных пушки Б-2 °C с боезапасом по 120 патронов на ствол.
Первый полет истребителя, пилотируемого П. Я. Федрови (ведущий инженер по испытаниям А. М. Дружинин), состоялся 12 мая 1945 года. В ходе испытаний Федрови достиг скорости 682 км/ч на высоте 6000 метров. Время набора высоты 5000 метров не превышало 3,9 минуты. Несмотря на впечатляющие результаты испытаний, в середине июня самолет вернули с летно-испытательной станции на опытный завод ОКБ для замены крыла металлическим. Одновременно сделали и другие доработки, включая увеличение противокапотажного угла. Однако, несмотря на высокие летные данные, самолет больше в воздух не поднимался, а на его базе создали учебно-тренировочный истребитель Як-11.
Первый отечественный реверсивный винт был изготовлен в 1938 году С. Ш. Бас-Дубовым и Г. М. Заславским и предназначался для торможения самолета на пикировании. Этот винт дважды проходил испытания в НИИ ВВС, но результаты их не удовлетворили заказчика.
В 1942-м эти же конструкторы разработали и изготовили на заводе № 467 реверсивный винт ВИШ-105Р-2, который в начале следующего года испытали на истребителе ЛаГГ-3 и в аэродинамической трубе ЦАГИ Т-104. После доводки в 1946 году винт проверили на самолете Як-9В.
Осенью того же года в НИИ ВВС предъявили истребитель Як-3 с мотором ВК-105ПФ2 и реверсивным винтом ВИШ-105Р-2. На этот раз опытный винт испытания выдержал, продемонстрировав значительное сокращение пробега. Но, ввиду снятия с производства как двигателя, так и самолета, дальнейшие работы по нему прекратили, предложив продолжить работу на Як-9У с двигателем ВК-107А. Но этим все и кончилось.
Одним из путей улучшения аэродинамики Як-3, безусловно, стала разработка на заводе № 153 в Новосибирске под руководством О. К. Антонова нового крыла с ламинарным профилем, с меньшим коэффициентом сопротивления.
Задание на постройку такой машины было выдано 20 января, а к разработке приступили в сентябре 1944 года. Причем на самолете сохранился старый каркас крыла (менялись лишь нервюры). Вооружение включало пушку НС-23 и два пулемета БС. Работа проводилась в шесть этапов.
Предполагалось, что в дальнейшем, при сохранении прежней силовой установки, это позволит уменьшить площадь крыла до 13,1 м2 при размахе 8,6 метра, а переход на электроприводы управления посадочными щитками и триммерами горизонтального оперения – дополнительно облегчить истребитель.
Однако позже нашлись другие технические решения, связанные с перекомпоновкой фюзеляжа, а точнее, с размещением масло– и водорадиатора в одной гондоле под фюзеляжем, с применением одностороннего (как на Як-1) всасывающего патрубка нагнетателя и изменением обводов капота мотора и подбором винта.
Чтобы компенсировать ухудшение характеристик на посадочных углах атаки, свойственное ламинарным крыльям, угол отклонения крыльевых щитков увеличили до 60 градусов.
В ходе проектирования, из-за отсутствия ряда комплектующих изделий, пришлось отказаться от электрификации машины, и суммарный выигрыш в весе ее конструкции от использования других технических решений оказался невелик. Поэтому пришлось вернуться к исходному крылу. В связи с тем, что положение силовых элементов крыла, центра тяжести, а также кинематика и размер шасси должны были остаться неизменными, несущая поверхность приобрела форму двойной трапеции (с наплывом в передней корневой части крыла). Эта часть крыла набиралась из модифицированных профилей ЦАГИ 160545, переходивших к концу наплыва в профиль ЦАГИ 150545 и к середине полуразмаха – в профиль ЦАГИ 14151. В процессе испытаний машины планировалась проверка возможности использования реакции выхлопа для увеличения максимальной скорости самолета, для чего изготовили второй комплект боковых капотов мотора с туннельными обтекателями выхлопных патрубков.