Из 143 тысяч самолётов, выпущенных авиационной промышленностью Советского Союза в 1941-1945 годах, более 40 тысяч составляли машины ОКБ Яковлева. Самый распространённый истребитель первой половины Великой Отечественной войны – лёгкий и манёвренный Як-1 стал базовым для развития последующих машин ОКБ Яковлева, таких как Як-3, Як-7 и Як-9. Все они стали достойными наследниками Як-1 по своим лётным и техническим характеристикам, а Як-3 также снискал признание экспертов и был назван лучшим самолётом воздушного боя.
В феврале 1943 года завершилась постройка истребителя Як-1М, который стал результатом дальнейшего развития самолёта Як-1. Основные изменения коснулись снижения веса и уменьшения площади крыла, что привело к заметному улучшению лётных характеристик. Максимальная скорость на высоте 4430 метров достигла 633 км/ч, а время набора высоты 5000 метров сократилось до 4,1 минуты. Эти улучшения сделали Як-1М более манёвренным и скоростным по сравнению с предыдущими моделями.
28 февраля 1943 года состоялся первый полёт Як-1М «Москит», пилотируемый лётчиком-испытателем Павлом Федрови. Этот самолёт стал промежуточным звеном между Як-1 и Як-3. В сентябре был представлен улучшенный вариант Як-1М, получивший название «Дублер». Для усиления конструкции на этой модели полотняную обшивку хвостовой части фюзеляжа заменили на фанерную толщиной 2 мм. Также были доработаны системы охлаждения воды и масла, установлена безмачтовая антенна и коллиматорный прицел вместо кольцевого.
Эти изменения не только улучшили лётные характеристики Як-1М, но и повысили боевую эффективность самолёта. Улучшения были столь значимые, что в серийное производство он пошёл уже как Як-3. Этот истребитель полностью соответствовал формуле воздушного боя, предложенной трижды Героем Советского Союза А.И. Покрышкиным: «Высота-скорость-манёвр-огонь».
Силовая установка Як-3 состояла из мотора ВК-105ПФ2 мощностью 1240 л.с., который работал в паре с воздушным винтом автоматически изменяемого шага ВИШ-105СВ-01. Бензобаки, как и на других истребителях Яковлева, располагались в крыле, их общий объём составлял 370 литров. Особенностью конструкции стало глубокое «утопление» водяного радиатора в фюзеляж, что снизило аэродинамическое сопротивление и повысило эффективность охлаждения. Этот же принцип был применен и для маслорадиаторов.
Вооружение Як-3 включало мотор-пушку ШВАК и два синхронных пулемёта УБ. Для снижения веса на самолёте был установлен минимально необходимый комплект бортового оборудования, что позволяло вести бой днём в простых метеоусловиях. Обязательным элементом оборудования была безмачтовая радиостанция, обеспечивающая двухстороннюю связь для координации действий в воздушных боях.
Управление шасси, посадочными щитками и тормозами на Як-3 осуществлялось с помощью пневмосистемы. Хотя пневматика была менее надёжной по сравнению с гидравлическими или электрическими системами, используемыми на истребителях Лавочкина или американских самолётах, она позволяла сэкономить десятки килограммов веса.

Первые серийные Як-3 были направлены в 91-й истребительный авиационный полк 2-й воздушной армии, который в июне 1944 года участвовал в наступательной Львовской операции. Более 40% лётного состава полка составляли молодые пилоты, не имевшие боевого опыта. Тем не менее, за полтора месяца они выполнили 430 боевых вылетов, провели пять воздушных боев и уничтожили 23 самолёта противника, потеряв лишь два Як-3.
Пилоты отмечали, что на высотах до 5000 метров Як-3 превосходил как Me-109, так и FW-190, легко догоняя противника на вертикальных манёврах. Немецкому командованию в связи с появлением Як-3 пришлось выпустить директиву, согласно которой летчикам Люфтваффе предписывалось избегать воздушных боев с истребителями «Як» на высоте менее 5 км.
Особенно запомнился лётчикам бой 16 июля 1944 года, в котором десять Як-3 вступили в схватку с восемью Me-109 и четырьмя FW-190. В ходе боя с нашей стороны количество самолётов увеличилось до 18, со стороны противника – до 24-х. В итоге «Люфтвафе» потеряли 15 истребителей и при одном потерянном Як-3.
Несмотря на свои преимущества, Як-3 имел и недостатки. Лётчики отмечали малый запас топлива, что ограничивало продолжительность боевых вылетов и делало неэффективной свободную охоту. Поэтому самолёты чаще использовались по вызову наземных постов. Другой проблемой было слабое крепление верхней обшивки крыла, что иногда приводило к её отрыву на выходе из пикирования на максимальной скорости. Однако даже с такими повреждениями истребители часто совершали нормальную посадку. Зная об этой особенности, пилоты избегали недопустимых режимов, и вскоре проблема сошла на нет.
Французские лётчики полка «Нормандия-Неман», получившие Як-3 в 1944 году, высоко оценили его боевые качества. Они отмечали, что на Як-3 можно успешно сражаться против превосходящих сил противника. Лётчики-испытатели также подчеркивали превосходную горизонтальную и вертикальную манёвренность самолёта, а также его простоту в управлении, что делало его доступным для пилотов с разным уровнем подготовки.
Истребители Як-3 находились на вооружении 20 гвардейских и 27 истребительных авиационных полков ВВС Красной Армии. Самым результативным из них стал 402-й истребительный авиационный Севастопольский Краснознамённый ордена Суворова полк, лётчики которого совершили за период войны 13511 боевых вылетов и уничтожили 810 вражеских самолётов – это лучший результат среди всех истребительных полков советских ВВС, из них 591 сбиты в воздушных боях.