Выпуск самолета должны были начать сразу несколько заводов – в Горьком, Ленинграде, Таганроге и Новосибирске. Первые серийные ЛаГГи появились в феврале 1941-го. Но до начала войны самолет так и не успел стать для ВВС массовым: на 22 июня в армию успело поступить лишь чуть более ста истребителей, причем 75 из них состояли в частях ПВО Москвы. Ни одного ЛаГГ-3 в непосредственной близости от границ не было, поэтому самолеты этого типа не понесли потерь в самом начале войны и впервые пошли в бой только через месяц после ее начала. Первую победу на ЛаГГе одержал А.В. Бондаренко, 13 июля 1941-го сбивший над Дорогобужем бомбардировщик «Dornier 17». Массовое поступление ЛаГГов в ряды ВВС началось осенью 1941 года. К 5 декабря воевало 286 таких машин, из них 23 в авиации флота.
На фронте ЛаГГ-3 завоевал противоречивую репутацию. Летчикам нравилось прежде всего очень мощное вооружение самолета, позволявшее использовать его в качестве штурмовика и даже пикирующего бомбардировщика. Некоторые самолеты оснащали даже реактивными снарядами РС-82, которые применялись и по наземным, и по воздушным целям. В управлении он был несложным (хотя и сложнее, чем Як-1), отлично выполнял фигуры высшего пилотажа. Кроме того, он был невероятно живучим и прочным – сказывалась цельнодеревянная конструкция. Так, когда летчик С.Ф. Кырчанов таранил «Messerschmitt 109», то немецкий истребитель от удара попросту развалился в воздухе, а ЛаГГ благополучно продолжил полет. Кстати, затем Кырчанов сбил тараном еще один вражеский самолет, после чего был сбит и попал в плен. Трижды бежал из немецких лагерей, в третий раз – удачно, попал к словацким партизанам и во время освобождения Словакии командовал отрядом…
Однако хватало у ЛаГГов и минусов. Качество сборки этих самолетов было невысоким, ЛаГГи были очень склонны к сваливанию в штопор, и кроме того, в скорости и скороподъемности они уступали и другим типам советских истребителей, и противникам, в целом имея репутацию «задумчивых» машин.
Тем не менее в умелых руках ЛаГГ-3 был очень грозным оружием и вполне мог тягаться с врагами. Так, 3 февраля 1942 года летчик А.А. Губанов на ЛаГГе сбил один за другим три «мессершмитта». 21 марта 1942 года под Ржевом пять ЛаГГов сражались сразу с 30 (!) немецкими самолетами и сбили пять из них, не понеся потерь. Летчик А.М. Кулагин из 249-го истребительного авиаполка в феврале 1943 – декабре 1944-го уничтожил на своем ЛаГГе 26 самолетов противника. Именно в бою с ЛаГГами погибли знаменитые немецкие асы Макс Остерманн, Герберт Финдейзен и Вальтер Майер.
На этом самолете совершались и поистине уникальные подвиги. Так, старший сержант 790-го истребительного авиаполка П.К. Бабайлов, отражая налет немцев на Грозный в июле 1942-го, сбил один «мессер» из пушки, а второму отрубил хвост винтом. После этого Бабайлов смог посадить самолет, за ночь он был восстановлен, и на следующий день летчик сбил еще одного «немца». В ноябре 1943-го Бабайлов, уже в звании лейтенанта, совершил еще один удачный таран на ЛаГГе. А в октябре 1941 года ЛаГГи, оснащенные опытными 37-миллиметровыми пушками Шпитального, смогли уничтожить под Москвой… пять танков. Пожалуй, это единственный случай, когда поршневой истребитель был использован в качестве противотанкового оружия. Версия ЛаГГа с такой пушкой получила отдельное наименование К-37, но в серию не пошла.
В ходе войны ЛаГГи неоднократно пытались улучшить – уменьшали запас топлива, устанавливали новые винты и двигатели М-105ПФ. Наиболее совершенной стала версия 1943 года, разработанная С.А. Лавочкиным в Горьком, – она могла достигать скорости 591 километров в час. Эта версия (так называемая 66-я серия) выпускалась в Тбилиси до июля 1944 года, т. е. выпуск ЛаГГ-3 завершился практически одновременно с выпуском его преемника Ла-5.
До лета 1942-го количество ЛаГГов на фронте было примерно сопоставимо с числом Як-1, но потом начало сокращаться. К июлю 1943-го воевал 251 ЛаГГ, причем практически все они были на южных фронтах. ЛаГГи участвовали в освобождении Крыма, продолжали служить в авиации ПВО и флотов. В 1944-м в советской авиации служили 594 самолета этой модели (имеются в виду не только фронтовые, но и тыловые части). ЛаГГи поучаствовали и в советско-японской войне 1945 года. Последние машины этой модели были выведены из эксплуатации только в 1947 году.