Осенью 1941 г. ЛаГГ-3 вступили в бой под Москвой. К началу налётов немецкой авиации на столицу эти машины имелись лишь в 24-м и 233-м иап. Первый полк, стоявший на аэродромах Инютино и Спас-Лыкшино, был укомплектован ими полностью, но не все лётчики в полной мере освоили новые истребители. Во втором имелась одна эскадрилья ЛаГГ-3, две другие летали на И-16 и МиГ-3. По состоянию на 31 июля оба полка могли выставить 37 готовых к бою истребителей ЛаГГ-3. Впоследствии количество этих машин на московском направлении значительно увеличилось; на них действовали 162-й, 168-й, 193-й, 431-й и 129-й (позднее 5-й гвардейский) иап. Одной эскадрильей истребителей располагал 3-й орап, где ЛаГГ-3 обеспечивали прикрытие разведчиков Пе-2 при полётах в тыл врага.
ЛаГГ-3 серьёзно уступал по своим лётным данным истребителям противника, и всё же нашим воздушным бойцам удавалось одерживать на них немало побед. Например, лётчик 178-го иап Г. А. Григорьев уничтожил в московском небе 15 вражеских самолётов.
Осенью 1941 г. полки перевооружались на ЛаГГ-3 один за другим. В сентябре на Южном фронте появился 149-й иап, летавший как на этих машинах, так и на МиГ-3. Ещё в августе отвели с фронта понёсший большие потери 8-й иап. В 11-м зап в Ростове-на-Дону его переукомплектовали истребителями таганрогского производства и через два месяца отправили обратно на передовую в составе 74-й иад. В Горьком в ноябре прошёл перевооружение 92-й иап; в начале 1942 г. он вновь вступил в бой на Волховском фронте. Примерно в это же время с И-16 на ЛаГГ-3 пересел 69-й иап, в котором служил один из самых результативных лётчиков-истребителей Великой Отечественной войны — А. В. Алелюхин, одержавший 40 личных побед и 17 — в группе.
На 5 декабря 1941 г. на фронте находились 263 ЛаГГ-3, принадлежавших ВВС и истребительной авиации ПВО, а ещё 23 располагал флот. Из-за сокращения производства, вызванного эвакуацией многих заводов на восток, этот самолёт ненадолго стал наиболее распространённым истребителем нового поколения в нашей авиации. Так, на Калининском фронте в январе 1942 г. ЛаГГ-3 оказался самым массовым типом. На самом же деле их там имелось немного, всего 23 штуки.
ЛаГГ-3 применялись для борьбы как с воздушными, так и наземными целями. Мощное вооружение позволяло им эффективно действовать против бомбардировщиков и транспортных самолётов.
21 марта 1942 г. во время боя под Ржевом пятёрка наших истребителей уничтожила пять из 30 немецких самолётов, не понеся потерь. Более низкая скорость и худшая скороподъёмность препятствовали нашим лётчикам в боях с истребителями противника, но умелый пилот мог не только обороняться, но и атаковать их. Значительная огневая мощь позволяла ЛаГГ-3 уничтожать вражеские самолёты, несмотря на их довольно сильное бронирование.
Вопреки всем свои минусам, в руках опытного и инициативного лётчика он был достаточно сильным оружием. Н. Ф. Исаенко, служивший в 267-м иап и ставший в 1942 г. Героем Советского Союза, вспоминал:
«Главными недостатками этого истребителя были плохой обзор задней полусферы и слабая бронезащита. ЛаГГ-3 несколько уступал «мессеру» в скорости, следовательно, и в вертикальном манёвре. При знакомстве с машиной прежде всего бросались в глаза своеобразная форма фюзеляжа, дававшая острякам повод называть истребитель «таранькой с икрой», и непомерно большое хвостовое колесо. Лётчики, слабо освоившие истребитель, не скупились на насмешки в его адрес, безапелляционно утверждали, что ЛаГГ-3 не в силах противостоять истребителям противника… На самом же деле у «ЛаГГа» помимо недостатков имелись существенные достоинства: на машине стоял исключительно надёжный мотор, истребитель был проще в управлении, чем, скажем, МиГ-3, великолепно выполнял фигуры сложного пилотажа…»