В передней части фюзеляжа толщину обшивки уменьшили с 9,5 до 7 мм, облегчили каркас капота, два маслобака заменили на один. С самолета сняли узлы для крепления подвесных топливных баков, у внутренних топливных баков уменьшили толщину стенок. Использование новых тросиков управления газом, а также ряд других изменений в конструкции позволили в общей сложности облегчить самолет на 252–283 кг. С другой стороны переделка воздухозаборников водяного и масляного радиаторов, герметизация противопожарной переборки, установка обтекателей на выхлопные патрубки и доработка форсированного двигателя М-105ПФ (на двигатель поставили усиленный коленвал) добавили к массе самолета 55 кг. В результате массу не удалось понизить больше чем до 2962 кг. Серийные самолеты часто весили на 9 % больше опытных машин. Эту проблему часто обсуждали в НКАП. В 1943 году появился указ «Об ужесточении дисциплины крупносерийного выпуска самолетов», который касался всех авиационных предприятий. В этот же период трудно было оснащать все самолеты радиостанциями. Лишь с марта 1943 года на все без исключения ЛаГГи-3 начали ставить приемники, а на каждом пятом самолете — приемо-передатчики РСИ-4. Часть самолетов выпускалась в варианте ближнего разведчика и оборудовалась фотокамерой АФА-1, установленной в хвостовой части фюзеляжа. В середине 1943 года вооружение самолета усилили вторым пулеметом БС. На последних сериях винт ВИШ-61П заменили винтом ВИШ-105СВ, отличавшемся более плоской и широкой ступицей.
На заводе № 31 работали над совершенствованием двигательного агрегата с целью улучшить скорость самолета. Предпринимались попытки поставить на истребитель двигатели М-106 и М-107, но, как уже говорилось выше, они закончились безрезультатно. Горбунов предпринял еще одну попытку улучшить летные качества ЛаГГа-3, установив на самолет двигатель М-105ПТ. Истребитель, получивший обозначение «объект 105» в октябре 1943 года прошел государственные испытания. Прежде всего в глаза бросалась каплевидная форма фонаря кабины. Вооружение самолета состояло из пушки ШВАК и пулемета БС с боекомплектом 160 и 200 выстрелов соответственно. Взлетная масса самолета составила 2818 кг, максимальная скорость 612 км/ч.
В феврале 1944 года появился самолет «105-2» с двигателем М-105ПФ-2 стартовой мощностью 1290 л.с. и рабочей мощностью 1310 л.с. на высоте 2000 м. Емкость топливных баков сократили с 405 до 377 л, пушку ШВАК заменили пушкой ВЯ-23 с боекомплектом 85 выстрелов. Пулемет БС имел боекомплект 185 выстрелов. Истребитель проходил государственные испытания с 10 мая по 12 июня 1944 года. Закончились они отрицательно. У самолета отметили недоработки в конструкции винтомоторной группы, слабое вооружение и низкие летные параметры. Самолет «105-2» значительно уступал по возможностям немецким истребителям Bf-109G-6 и FW-190D-9. В результате в НИИ ВВС признали бесперспективным дальнейшее совершенствование ЛаГГа-3 и подняли вопрос о прекращении его серийного выпуска. Дальнейшие планы тбилисских конструкторов так и не были реализованы. В частности, они предполагали оснастить самолет эластичными самогерметизирующимися баками. В отличие от жестких баков с резиновой обшивкой, у мягких баков сами стенки были сделаны из самозатягивающейся резины.
ЛаГГ-3 с ракетными ускорителями
Особое место в работе КБ С. А. Лавочкина занимают эксперименты со смешанной двигательной установкой. Одним из способов увеличить максимальную скорость и потолок самолета было установить на него дополнительные ракетные двигатели на жидком топливе. В Советском Союзе в годы войны над ракетными ускорителями самолетов работала группа И. А. Меркулова и М. М. Бондарюка. Двигатель ДМ-4 конструкции Меркулова ставили на истребители Як-7Б, а двигатель ВРД-1 Бондарюк испытывал на серийном ЛаГГе-3 с двигателем М-105ПФ. Ускоритель ВРД-1 имел длину 2,15 м, диаметр спереди 0,14 м, массу 16 кг.