Серийное производство самолета Як-3 развернулось на заводе в Саратове по решению ГКО от 26 октября 1943 года, где он постепенно сменил Як-1. К тому времени предприятие накопило определенный опыт организации поточ-по-стендовой сборки Як-1, что послужило поводом по организации конвейерной сборки крыльев, каркасов фюзеляжей, топливных баков, предварительной и окончательной сборки Як-3, включая покраску, с принудительным ритмом движения по часовому графику, механизировать и автоматизировать все конвейерные линии и транспортные работы.

Изготовление шасси, стабилизаторов, килей, фонарей кабины пилота и других узлов также организовали на потоке по часовому графику. В связи с этим в агрегатно-сборочных цехах создали комплектный запас всех деталей, нормалей, узлов на шесть-восемь суток работы предприятия, а для внедрения неизбежных конструктивных изменений увеличили мощность опытного цеха, передав ему один из построенных самолетов.

Выпуск Як-3 этим методом обеспечил быстрое освоение закрепленного объема работ каждым рабочим, особенно молодыми, сократил трудоемкость их изготовления, производственные циклы, улучшил использование заводских площадей. Так, при изготовлении каркаса фюзеляжа трудоемкость сократилась на 41%, количество производственных рабочих — на 30%, вспомогательных -на 37%, а цикл изготовления машины — на 43%. Все это удалось внедрить к весне 1944 года. При этом Як-3 саратовского авиазавода были дешевле продукции, выпускавшейся в Тбилиси.

В апреле завод отправил на фронт первые Як-3. В мае их выпуск составил 21,6% от общего выпуска машин заводом, в июне - 52,7%, в июле - 98,1%. 5 декабря завод выполнил план 1944 года на 108,5%, окончательно перейдя на изготовление Як-3.

Первые самолеты, укомплектованные одной пушкой МП-20 и пулеметом БС, стали покидать сборочный цех в марте 1944 года. В таком виде было выпущено 12 серий самолетов. Затем истребители начали комплектоваться орудием МП-20 и двумя БСами.

Благодаря хорошему контролю вес самолета изменялся незначительно. Так, по имеющейся статистике, разница в весе пустых самолетов, выпушенных с ноября 1944-го по май 1945 года изменялась в пределах 5—6 кг.

В июле 1944 года на самолете дал знать серьезный конструктивный дефект — срыв обшивки с верхней поверхности крыла, свойственный смешенной конструкции несущей поверхности. В ОКБ-115 предприняли соответствующие меры и выпустили бюллетень №22 с рекомендациями по его усилению. Одновременно на подмосковном заводе №464 усиленное крыло установили на самолет №9135 и отправили на статические испытания. Но как показал опыт, рекомендовавшиеся доработки, связанные с увеличением площади проклея обшивки за счет накладок на деревянных нервюрах, помогли мало. Согласно книге А.Т. Степанца, было зарегистрировано 114 случаев отставания фанерной обшивки от каркаса крыла.

В соответствии с постановлением ГКО и приказом наркома авиационной промышленности от 30 декабря 1944-го завод №292 должен был перейти на выпуск Як-3 с тремя пушками Б-20 в феврале следующего года. Первый «як» в новой комплектации (серийный №1630) завод построил в срок и предъявил в НИИ ВВС на государственные испытания, завершившиеся в апреле 1945 года.

Серийные пушки Б-20 в синхронном варианте, выпущенные в 1944 году заводом №74 Наркомата вооружений, при испытаниях на самолетах Ла-7 и Як-9УТ с двигателем ВК-107А работали с повышенным числом задержек, поэтому в начале испытаний машины №1630 эти орудия заменили новыми, изготовленными в марте 1945 года. Вследствие массового количества дефектов пушек Б-20 серийный выпуск трехпушечного Як-3 задержался.

В конце 1945 года для увеличения дальности связи самолеты стали сдавать заказчику с мачтами для излучателя двухлучевой антенны радиостанции. Тогда же на самолеты начали устанавливать радиостанции РСИ-6 вместо РСИ-ЗМ-1. Станция РСИ-6 была тоже коротковолновой, но отличалась от предшественников повышенной помехозащищенностью и стабильностью несущей частоты. Но из-за огромного количества РСИ-3, построенных во время войны (в 1945 году на складах НКАП скопилось около 7000 радиостанций этого типа), РСИ-6 придерживали, стараясь реализовать залежалый товар.

В 1944 году на выпуск Як-3 с двигателем ВК-105ПФ2 перешел завод №31 в Тбилиси. В начале апреля того же года был выпущен первый экземпляр машины №310001 с двигателем ВК-105ПФ2. Его первый полет (ведущие - инженер И.А. Шабанов и летчик-испытатель С.Г. Плыгунов) состоялся 11 апреля. Вооружение истребителя включало пушку МП-20 и два БСа. В ходе испытаний было выявлено 52 дефекта машины и ее систем, из них 10 — конструктивных. Тем не менее летные данные истребителя были в пределах технических условий заказчика и выпуск «яков» продолжили.

В 1945 году в Тбилиси его сменил, несмотря на неудовлетворительные результаты государственных испытаний, Як-3 с двигателем ВК-107А. Но его производство длилось недолго, и в 1946-м после сдачи заказчику 48 машин выпуск прекратили.

Как говорилось выше, весной 1945 года в инициативном порядке на заводе в Саратове началась подготовка к выпуску цельнометаллического крыла и сборка первого Як-3 с мотором ВК-107А, вооруженного пушками Б-20. 30 апреля эту машину выкатили на аэродром.

В мае завод получил указание завершить производство Як-3 с мотором ВК-105ПФ-2 и перейти на выпуск самолетов с ВК-107А с металлическими крылом и оперением. По плану в августе 1945 года завод №292 должен был выпустить десять самолетов такой модификации, но построили лишь четыре машины (включая одну для статиспытаний), и то в 1946 году.

По распоряжению правительства от 22 марта того же года Як-3 с ВК-107А сняли с производства на заводе в Саратове. Правда, в Тбилиси разрешили собирать машины из оставшегося задела, но в августе и там остановили их выпуск. Судя по всему, задел по Як-3 использовали для изготовления реактивных Як-15.

В отличие от истребителя Як-9 с мотором ВК-107А, построенного в 2214 экземплярах, оба завода выпустили лишь 51 Як-3 ВК-107А. Им были свойственны те же дефекты, что и Як-9, но главным был все же неудовлетворительный температурный режим двигателя.