Этот истребитель разрабатывался под руководством триумвирата конструкторов: С.А. Лавочкина. В.П.Гор6унова и М.И. Гудкова. Опытный образец его, называвшийся И-301, вышел на испытания в марте 1940 г., т.е. вскоре после И-26 А.С. Яковлева.

Отличительной особенностью конструкции И-301 было широкое применение такого нового тогда материала, как дельтадревесина (пластифицированная древесина, обладающая большой прочностью). Металл использовался только там, где без него просто нельзя было обойтись (стальная монорама, капоты мотора из дюралевых сплавов). Такой подход к проектированию был вынужденным. Суть заключалась в том, что возможности цветной металлургии не поспевали за резко возросшими в предвоенные годы потребностями самолетостроения, единственный путь, позволявший в этих условиях наладить массовый выпуск новых боевых самолетов, заключался в использовании дерева. Оно в большей или меньшей степени применялось в конструкции и других самолетов, в частности, Як-1 и Миг-З. а И-301 наиболее полно воплощал в себе идею цельнодеревянной машины, что считалось большим его преимуществом. Другая отличительная черта И-301 заключалась в необычно мощном вооружении - пушка 23 мм и два синхронных крупнокалиберных пулемета БС, в дополнение к которым могли устанавливаться еще два ШКАС.

И-301 прошел испытания в целом успешно. Однако перед организацией серийного производства было выдвинуто дополнительное требование о повышении дальности полета до 1000 км. Конструкторам пришлось установить дополнительные баки, хотя тогда уже было ясно, что с таким запасом топлива самолет будет слишком тяжел.

Первые серийные самолеты, получившие марку ЛаГГ-З, начали сходить с конвейера в 1941 г. Так же как Як-1 и Миг-З, этот истребитель в первый период войны стал одним из основных самолетов нового поколения советских ВВС.

Состав вооружения ЛаГГ-З в процессе серийной постройки менялся. В наиболее типичном для 1941 г. варианте оно состояло из пушки калибра 20 мм и синхронных пулеметов - одного БС и двух ШКАС. Кроме того, под крылом можно разместить 6-8 реактивных снарядов. К сожалению, при освоении ЛаГГ-З в производстве и в процессе его доводки не удалось сохранить его высокие летные данные. Особенно сильно снизилась скорость.

Наиболее успешно ЛаГГ-З действовал против бомбардировщиков противника, где его превосходство в летных данных и мощь вооружения имели решающее значение. Хорош был этот самолет и для выполнения штурмовых задач. Но все же летчикам на ЛаГГ-З чаще приходилось вести воздушные бои с истребителями противника. Здесь со всей очевидностью проявились недостатки ЛаГГа, обусловленные слишком большим его весом. По основным показателям он уступал Мессершмитту Bf-109E и Bf-109F.

По решению Государственного Комитета Обороны на одном из самых мощных авиационных заводов, выпускавших большинство ЛаГГ-З. их производство было прекращено. Вместо ЛаГГа там был налажен выпуск истребителей Як, а ЛаГГ-З продолжали строить на заводе № 31 в г. Тбилиси. Там под руководством В.П. Горбунова в 1942-1943 гг. проводились работы по повышению боеспособности ЛаГГ-З.

Предпринимались попытки поставить на истребитель двигатели М-106 и М-107, но 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.

Всего за 1941-1944 гг. авиационные заводы построили 6528 истребителей ЛаГГ-З.