Необходимость пушечного вооружения истребителей стала ясна во время Гражданской войны в Испании, где республиканским пилотам с трудом удавалось сбивать новые немецкие цельнометаллические бомбардировщики с бронированием рабочих мест экипажа и протектированными бензобаками. Тем не менее в советские ВВС продолжали поступать преимущественно самолеты, вооруженные пулеметами ШКАС винтовочного калибра. Разработка крупнокалиберных пулеметов задерживалась. Опытный образец универсального пулемета УБ конструкции М.Е. Березина был принят на вооружение только в апреле 1939 года и на самолетах начал устанавливаться лишь год спустя. Пушкой ШВАК первоначально вооружалось лишь ограниченное количество истребителей, поскольку это оружие отличалось капризностью в эксплуатации и требовало доводки.
Бортовые радиостанции и радионавигационные приборы для советской авиации выпускались до войны в весьма ограниченном количестве из-за слаборазвитой радиопромышленности. Поэтому в истребительных подразделениях приемо-передающие станции невысокого качества устанавливались только на самолетах командиров эскадрилий. Например, в Московском военном округе на 1 января 1940 года из 553 истребителей радиостанциями располагали лишь 43. В воздухе основным видом связи по-прежнему оставались эволюции самолетов (покачивания крыльями) и сигнальные ракеты.
Основными типами советских истребителей перед началом войны являлись самолеты Поликарпова — И-16 и И-153 со звездообразными двигателями воздушного охлаждения. В штурмовых полках оставались еще машины И-15бис, называемые иногда в шутку «бисовыми душами»! Уступая врагу в горизонтальной и вертикальной скорости, они превосходили «мессершмитты» только в боях на виражах. «Чайка», например, полный вираж выполняла всего за 11 секунд (Bf 109F имел время выполнения виража около 20 секунд).
Самолеты И-16 и И-153 имели смешанную конструкцию. Деревянные крылья и хвостовая часть фюзеляжа биплана И-153 с каркасом из сварных труб обтягивались полотняной обшивкой. Деревянный фюзеляж моноплана И-16 обшивался фанерой, а полотняная обшивка использовалась только на крыле с металлическим каркасом и хвостовом оперении. Вооружение истребителей составляли в основном четыре легких 7,62-мм пулемета ШКАС, хотя существовали и их варианты, оснащенные крупнокалиберными пулеметами БС и 20-мм авиационными пушками ШВАК. Оба типа самолетов могли нести реактивные снаряды РС-82, направляющие которых монтировались под крылом.
Из современных истребителей в 1941 году наибольшее распространение в советских подразделениях получил самолет МиГ-3. Создаваемый в качестве высотного перехватчика и оборудованный тяжелым двигателем АМ-35А конструкции А.А. Микулина, этот истребитель имел на высоте 7000 м скорость 640 км/ч, что было незаурядным достижением того времени. Центроплан и передняя часть фюзеляжа самолета были металлическими, а отъемные части крыла и хвостовая часть — деревянными. Крыло из трех частей легко разбиралось. Превосходный истребитель для больших высот, МиГ-3 сильно терял в боевых качествах на средних и особенно малых высотах, где преимущественно и велись воздушные бои на Восточном фронте. Молодые неопытные летчики с трудом управляли этим самолетом, постоянно опасаясь сорваться в штопор. Передний обзор из далеко сдвинутой назад кабины пилота был неважным. Трудным оказался истребитель на взлете из-за его склонности к развороту. Посадочная скорость была большой, и при выравнивании он легко сваливался на крыло. На полевых аэродромах добавились трудности эксплуатационного характера. Пылью быстро засорялись соты радиатора, и мотор вследствие этого перегревался. Тем не менее опытные асы в дальнейшем сумели добиться на этом истребителе немалых успехов. Например, в июне 1941 года на МиГ-3 начал свою боевую карьеру Александр Покрышкин, уничтоживший на нем 10 вражеских самолетов, в том числе 5 Bf 109. Вооружение МиГа обычно состояло из двух пулеметов ШКАС калибра 7,62 мм и одного БС калибра 12,7 мм.
Самолет ЛаГГ-3, созданный в соавторстве С. А. Лавочкиным, М.И. Гудковым и В.П. Горбуновым, отличался в первую очередь цельнодеревянной конструкцией. Даже тяжело нагруженные элементы крыла и фюзеляжа были изготовлены из т. н. дельтадревесины. В качестве вооружения вначале устанавливались пять пулеметов — три крупнокалиберных и два скорострельных ШКАСа. Под крылом были предусмотрены подвески для двух бомб или восьми реактивных снарядов РС-82. Большая дальность полета истребителя потребовала значительного количества топлива. Все это, естественно, повлияло на взлетный вес самолета. В соответствии с его увеличением ухудшились летные характеристики ЛаГГ-3, особенно скороподъемность и вертикальная маневренность. Плохое качество внешней отделки серийных истребителей и неубирающееся хвостовое колесо сильно уменьшили скорость самолета по сравнению с опытным образцом (почти на 40 км/ч). В управлении он был тяжел, на виражах быстро терял скорость и затем набирал ее сравнительно медленно. Из достоинств следует отметить хорошую живучесть истребителя в бою.