Со второй половины 1942 г. количество этих самолётов в строю начало постепенно сокращаться. На 19 ноября на передовой насчитывалось всего 277 машин, почти вдвое меньше, чем имелось летом. Зато возросло наличие этих машин в ПВО и морской авиации. Например, в ноябре 1943 г. ЛаГГ-3 получил 35-й иап, прикрывавший Черноморское побережье Кавказа.

Из четырёх истребительных полков ВВС Черноморского флота, активно действовавших в 1943 г., два (9-й и 25-й) были вооружены ЛаГГ-3. 25-й иап считался одним из лучших. За вторую половину года его лётчики провели 89 воздушных боёв, сбив 73 самолёта противника (включая 56 истребителей). Сам полк за это время потерял 24 машины.

На 1 июля 1943 г. на фронте насчитывался 251 ЛаГГ-3. Они действовали в основном на юге. 4 декабря 1943 г. шестёрка ЛаГГ-3 из 790-го иап под командованием старшего лейтенанта Бурака, прикрывая Эльтиген, встретила 25 бомбардировщиков Ju.87, сопровождавшихся четвёркой Bf.109. Атаковав «лапотников» сверху в лоб, наши лётчики разрушили неприятельский строй и вынудили бомбардировщики беспорядочно сбросить свой груз. В этом бою старшие лейтенанты Бурак и Сальников одержали по одной победе.

В некоторых полках недостатки ЛаГГ-3 пытались компенсировать усовершенствованием тактики их применения. Так, в 4-й воздушной армии практиковали взаимодействие их с другими типами истребителей. ЛаГГ-3 барражировали на высотах до 3000 м, а выше находились более манёвренные «аэрокобры». Последние связывали боем истребители противника, предоставляя возможность ЛаГГ-3 бороться с вражескими бомбардировщиками.

Звено самолётов К-37 (Гу-37) с пушкой Ш-37 впервые использовалось в боях на московском направлении в октябре 1941 г. в составе 43-й авиадивизии. Тогда мощное вооружение этих машин не удалось использовать в полной мере из-за многочисленных конструктивных и производственных дефектов пушечной установки. Тем не менее, конструктор пушки Шпитальный посчитал, что применение нового оружия прошло успешно, и доложил Сталину об уничтожении пяти средних танков. Однако он промолчал, что в этом же месяце звено фактически перестало существовать — все его истребители были выведены из строя.

Более совершенные ЛаГГ-3 с 37-мм пушками Ш-37, выпущенные заводом № 21 в 1941–1942 гг., поступили в 42-й иап подполковника Ф. И. Шинкаренко (с 9 октября 1942 г. этот полк стал 133-м гвардейским), который в марте 1942 г. начал их войсковые испытания на Брянском фронте.

«Первое испытание в бою, — вспоминал Шинкаренко, — прошло вне предусмотренной программы. Когда мы ещё только готовились начать боевую работу, над аэродромом появилось несколько фашистских бомбардировщиков.

ЛаГГ-3 с пушкой НС-37 во время войсковых испытаний, 21-й иап, Калининский фронт, аэродром Старая Торопа, май 1943 г.

Два звена «ЛаГГов» в воздушном бою сбили из пушек три самолёта противника. Лётчики… восторженно отзывались о пушке, снаряды которой оставляли большие пробоины в плоскостях и фюзеляже вражеских бомбардировщиков. Однако, несмотря на тренировки, некоторые лётчики в первой же атаке израсходовали все патроны. Выяснилось также, что при ведении огня из пушки длинными очередями «ЛаГГ» терял скорость. Подобное мы замечали и раньше, когда тренировались в стрельбе по наземным целям, но в бою это проявилось особенно отчётливо».

Противник, узнав о появлении на фронте столь мощного оружия, буквально начал охоту за самолётами полка. В результате испытания пришлось прервать. В мае 42-й иап направили на Западный фронт, подчинив 202-й иад полковника Б. И. Янсена. Почти после каждого боевого вылета лётчики докладывали о сбитых немецких самолётах. По свидетельству Шинкаренко, командир эскадрильи капитан М. Горбанёв первым в полку сбил бомбардировщик He.111, причём огонь открыл с дистанции 400 м — это почти в два раза больше, чем ранее практиковалось в боях для надёжного поражения воздушных целей. Известно, что только в августе 1942 г. в воздушных боях из 37-мм пушек было сбито 45 вражеских самолётов. Кроме 42-го иап, ЛаГГ-3 с 37-мм пушками был укомплектован и 188-й иап подполковника Г. И. Черепанова.

Войсковые испытания истребителей с пушками НС-37 проходили с 21 апреля по 7 июня 1943 г. на Калининском фронте в составе 1-й воздушной армии. Хотя результаты их были признаны успешными, кроме небольшой партии машин, направленных туда, эта пушка на серийных ЛаГГ-3 не устанавливалась. Позднее НС-37 начали монтировать на истребители Як-9Т и штурмовики Ил-2.

Во всё уменьшающихся количествах ЛаГГ-3 состояли на вооружении ВВС, ПВО и морской авиации до конца Великой Отечественной войны. В частности, они принимали участие в освобождении Крыма. 10 января 1944 г. пятёрка ЛаГГ-3 из 790-го иап подполковника И. Г. Королёва перехватила в районе Тархан (Керченский п-ов) 12 пикировщиков Ju.87, шедших в сопровождении пары Bf.109. В бою немцы потеряли три Ju.87 и оба истребителя. В операциях в Крыму были задействованы также 88-й, 159-й, 863-й и 979-й иап, вооружённые ЛаГГ-3.

В ВВС Черноморского флота на 1 января 1945 г. входили 7-й и 62-й иап и 2-й учебный полк. Ни один из них не был полностью укомплектован ЛаГГ-3, но в сумме там насчитывалось 46 машин этого типа.

Много ЛаГГ-3 сохранялось в полках ПВО. Например, на них летала вся 229-я иад. В Подмосковье с середины 1943 г. ЛаГГ-3 начали заменять на Ла-5. В частности, в 178-м иап к концу ноября остался всего один старый истребитель. Всего за период войны ЛаГГ-3, входившие в состав истребительной авиации ПВО, уничтожили 315 самолётов противника.

Довелось участвовать этим машинам и в войне против Японии. На 9 августа 1945 г. ВВС Тихоокеанского флота имели 172 самолёта этого типа — почти треть всех наличных истребителей. В основном их действия сводились к прикрытию штурмовиков, как это было, например, 9 и 10 августа 1945 г. ЛаГГ-3 из 38-го иап в те дни прикрывали Ил-2 37-го шап, атаковавшие порт Юки. Но бывали случаи, когда лётчики на ЛаГГ-3 сами наносили бомбовые и штурмовые удары. Например, днём 11 августа они под прикрытием истребителей Як-9 и Ла-7 совершили налёт на порт Эсутору на Южном Сахалине.

Вскоре после окончания войны началось сокращение вооружённых сил. 22 марта 1946 г. Совет Министров постановил списать большое количество изношенных и устаревших самолётов. В их число вошли 187 ЛаГГ-3. Последние истребители этого типа, видимо, были выведены из эксплуатации к началу 1947 г.

ЛаГГ-3 никогда не поставлялся на экспорт. Однако в 1941–1942 гг. немцам удалось захватить некоторое количество машин этого типа в различном состоянии. Данных об их использовании в Люфтваффе нет, но известно, что в 1942 г. три из них были проданы Германией своим финским союзникам. Эти самолёты эксплуатировались в 1943–1944 гг. эскадрильей LeLv 32 и использовались финнами в Карелии как ближние разведчики. Известен случай боя финского ЛаГГ-3 с точно такой же советской машиной. Долгое маневрирование ни одному из них не принесло победы. После отказа пушки финский лётчик вышел из боя.