Массовое производство И-301 запустилось под обозначением ЛАГГ-3. Самолет И-301 конструкции инженеров Лавочкина, Горбунова, Гудкова.

Фюзеляж самолёта деревянный, типа монокок, овального сечения, переходящий в хвостовой части в килевую ферму. Каркас фюзеляжа состоит из пятнадцати шпангоутов, четырёх лонжеронов и двенадцати стрингеров. Киль выполнен заодно с фюзеляжем. Усиленные шпангоуты (№ 1 и 14) изготовлены с применением дельта-древесины, лонжероны — из сосновых брусьев переменного сечения. Кроме сосны, в силовом наборе фюзеляжа применялись липа и ясень. Все деревянные детали фюзеляжа соединяются на клее ВИАМ-Б3 без использования гвоздей и шурупов. Обшивка фюзеляжа выклеивалась из берёзового шпона; толщина обшивки изменяется от 9,5 мм в носу до 3 мм — в корме. Наружная отделка поверхности фюзеляжа включала склеивание шпона тканью, шпатлёвку и тщательное зашкуривание неровностей перед покраской. Передняя часть фюзеляжа представляет собой отсек, состоящий из цельносварной фермы, двух боковых стоек, одного заднего раскоса и ряда приклёпанных дюралевых профилей и книц под мотораму и вооружение. Цельносварная ферма изготовлена из хромансилевой стали С30ХГСА термически обработана и оцинкована. Боковые стойки изготовлены из хромансилевых труб С30ХГСАТ 40-38 мм в которые вварены стаканы. Стойки термически обработаны и оцинкованы. Поперечная распорка изготовлена из хромансилевой трубы С30ХГСА 35-32 мм, на концах которых приварены обоймы, термически обработана и оцинкована. На задних концах продольной панели вставлены стаканы, изготовленные хромансилевой стали С30ХГСА термически обработаны и оцинкованы.

Крыло, набранное из двояковыпуклых несимметричных профилей NACA-23016 (в корне) и NACA-23010 (в консолях) относительной толщиной 16 и 10 % соответственно, технологически делилось на центроплан и две двухлонжеронные консоли с работающей фанерной обшивкой. Угол поперечного V крыла — 6.5 градуса.

Деревянный центроплан двухлонжеронной конструкции является основным силовым агрегатом самолёта, к нему крепятся консоли крыла, шасси, фюзеляж. Обшивка центроплана между лонжеронами — фанерная, толщиной 7 мм; обшивка носка крыла выклеена из шпона толщиной 4 мм. Лонжероны центроплана коробчатого сечения, полки изготовлены из дельта-древесины. Торцевые нервюры центроплана — металлические, изготовлены из хромансилевой стали С30ХГСА термически обработаны и оцинкованы. Фюзеляж крепится к центроплану на четырёх стальных узлах (сталь С30ХГСА). Плоскости крыла крепятся к стыковым узлам центроплана на болтах. Линии разъёма плоскости и центроплана закрываются металлической лентой.

Крыло, так же как центроплан, двухлонжеронное; обшивка плоскостей фанерная, передняя кромка выклеена из шпона толщиной 3 мм. В плане консоли имеют трапециевидную форму с закруглёнными концами. Механизация крыла включает элероны типа «Фрайз» со 100 % весовой компенсацией и посадочных четырёхсекционных (две секции под центропланом, по одной — под плоскостями) щитков типа Шренк (угол отклонения 15 градусов на взлёте и до 50 — на посадке). Каркасы элеронов и секций щитков выполнены из дюралюминия, обшивка элеронов — полотняная (перкаль), щитков — дюралевая. На левом элероне имеется триммер. В правой консоли крыла установлена трубка Пито.

Горизонтальное оперение — свободнонесущее. Стабилизатор отъёмный, двухлонжеронный, деревянной конструкции с фанерной работающей обшивкой толщиной 3 мм; состоит из двух консолей, которые крепятся к корневой части, выполненной за одно целое с фюзеляжем. Каркас руля высоты изготовлен из дюралюминия и обтянут полотном. На каждой половине руля высоты установлены триммеры. Половинки руля высоты подвешиваются на стабилизатор в пяти точках. Конструкция руля направления аналогична конструкции руля высоты, руль направления подвешивается к килю в трёх точках на кронштейнах.

Шасси — убираемое с масляно-воздушной амортизацией, основные опоры — одностоечные с боковым подкосом-подъёмником. Основные стойки с колёсами убираются в переднюю часть центроплана. Для колес в центроплане из берёзового шпона выклеены специальные купола. Уборка и выпуск шасси осуществляется с помощью воздушно-масляного аккумулятора и гидросистемы. Колеса основных опор снабжены камерными пневматическими тормозами. Размер основных колес 600×180 мм. Хвостовая опора шасси убираемая, после начала войны неубирающаяся костылевая.

Управление самолётом состоит из ручного управления рулём высоты (ручка) и элеронами, ножного управления (педали) рулём направления и управления триммерами (с помощью штурвальчиков). Управление рулём высоты и элеронами осуществляется при помощи ручки, жёстких трубчатых тяг и качалок, проводка управления рулём направления — тросовая. Выпуск и уборка щитков-закрылков — с помощью гидропривода.

Моторная рама представляет собой сварную ферму из хромансилевых труб С30ХГСАТ и крепится к планеру в пяти точках — в трёх нижних к узлам переднего лонжерона центроплана, в двух верхних — к лафету фюзеляжа. Двенадцатицилиндровый двигатель водяного охлаждения М-105П крепится к раме двадцатью болтами из хромансилевой стали. Питание мотора горючим осуществляется шестью карбюраторами (один карбюратор на два цилиндра). В центроплане установлено три бензобака, ещё по одному — в консолях крыла. Все баки последовательно через обратные клапаны соединены с центральным, из которого горючее бензонасосом подаётся в карбюраторы. Центральный бензобак имеет ёмкость 124 л, следующие — ёмкостью по 114 л, крыльевые — по 98 л. Все баки изготовлены из алюминиевого сплава АМЦП (алюминий-магний). Сверху баки закрыты четырьмя слоями прорезиненной материи с фенолформальдегидной пропиткой, обеспечивающей самогерметизацию. Дополнительная противопожарная безопасность обеспечивалась за счёт нагнетания в топливные баки выхлопных газов, отводившихся из левого выхлопного патрубка (единственный советский истребитель с такой системой). Топлива в баках хватало самолёту для 2,5-часового полёта на расстояние 900 км с крейсерской скоростью 455 км/ч.

Масляный радиатор находится под двигателем.Масло в мотор подаётся с помощью маслопомпы из двух установленных в фюзеляже перед кабиной баков суммарной ёмкостью 47 л.

Охлаждение мотора М-105П водяное, ёмкость водосистемы 90 л. Сотовый водорадиатор установлен в туннеле под кабиной пилота и охлаждался воздухом, поступавшим из воздухозаборников, расположенных в передней кромке центроплана и в подфюзеляжном совке. Регулирование температуры воды осуществляется заслонкой, изменяющим площадь сечения входного отверстия туннеля водорадиатора. Выхлопной коллектор — общий на каждый борт.

Металлический трёхлопастной винт изменяемого шага ВИШ-61 диаметром 3 м при помощи регулятора Р-7 автоматически поддерживает заданное число оборотов мотора. Втулка винта закрыта коком.

Источником электроэнергии являются генератор и аккумулятор. Генератор расположен в передней части каркаса мотора с правой стороны, аккумулятор — за бронеспинкой кресла лётчика. Питание сети 24 В.

На истребителе установлено кислородное оборудование, обеспечивающее нормальные условия работы лётчика на высотах от 4500 до 10 000 м.

Вооружение серийных машин (вплоть до 4-й серии) включало — пулемёт УБ, стрелявший через втулку винта; два пулемёта УБС, установленные над мотором и там же ещё двух пулемётов ШКАС. Прицел ПБП-1, позже ПБП-1А (прицел рефлекторного типа).

Бронезащита состояла из стальной 8,6-мм бронеспинки, позднее и лобового бронестекла толщиной 55 мм.

Производственные серии:

4-я серия Расположенный между блоками цилиндров 12,7-мм пулемёт УБС заменили 20-мм пушкой ШВАК с боезапасом 120 выстрелов. В связи с падением качества строительства ТТХ самолётов снизилось. Скорость 549 км/ч. скороподъёмность 600 м/мин. Дальность 870 км.

7-я серия Начиная с самолёта № 3121715 устанавливался двигатель М-105ПА — развивающий ту же мощность, что и М-105П но имеющий безпоплавковый карбюратор. Ёмкость каждого бака в консолях уменьшили на 40 литров, полная заправка уменьшилась до 340 кг. Более крупные колеса размером 650×200 мм. Вес 3280 кг. Максимальная скорость 549 км/ч.

8-я серия Сняты 2 ШКАСа, после этого ЛаГГ-3 утерял преимущество в секундном залпе по сравнению с более лёгким Як-1. Пять самолётов этой серии использовались для испытаний различных мотор-пушек, один из них был вооружён опытной ВЯ-23(серийное производство Вя-23 налажено на заводе № 2 в г. Коврове с апреля 1942 года). Часть машин получила вертикальную фотокамеру АТА-1, установленную в хвостовой части фюзеляжа. Начало выпуска — август 1941 года.

11-я серия Ещё раз уменьшен запас топлива, до 260 кг (от консольных баков отказались совсем). Уменьшено вооружение до одного левого БС и одной мотор-пушки ШВАК (с 70 самолёта 10 серии). Установлен новый мотор М-105ПА с мембранным карбюратором. Машины оснащены 6-ю ракетными орудиями (РО), прототипом послужил самолёт № 3121422 (22 самолёт 4 серии оснащенный восемью РО), внешними бомбодержателями (Д3-40) и они же — узлами крепления подвесных топливных баков. Начало выпуска — сентябрь 1941 года.

23-я серия Изменена конструкция хвостового оперения. Небольшое количество машин получило воздушный винт ВИШ-105СВ. Выпуск 20-х серий — конец зимы-весна 1942 года.

29-я серия Некоторые последние самолёты 28 серии получили двигатель М-105ПФ форсированный по наддуву. Максимальная мощность на высоте 2700 метров. Взлетная мощность 1210 л. с., Номинальная на высоте 700 метров — 1260 л. с. Выхлопной коллектор заменили тремя сдвоенными патрубками. Консольные баки восстановили. С 29 серии все самолёты оснащались М-105ПФ. Вооружение: одна пушка ШВАК и один пулемёт БС

С августа 1942 года приёмопередатчик РСИ-3 заменили на КВ приёмопередатчик РСИ-4 «Малютка» позволяющем производить плавную настройку в полосе частот от 3,7 до 6,05 МГц. Некоторые машины получили винт ВИШ-105СВ, на него полностью перейдут с 33-й серии. Начало выпуска июнь 1942 года.

34-я серия Противотанковая модификация. Вместо ШВАК — НС-37. Первые ЛаГГ-3 (около 40 машин), появились на фронте под Сталинградом осенью 1942 года.

В октябре 1941 г. впервые в СССР, ОКБ — 301 под руководством М. И. Гудкова удачно испытало ЛаГГ-3 оснащённый крупнокалиберным оружием — пушкой Шпитального Ш-37 на фронте под Вязьмой. В связи с ненадёжностью Ш-37, она была заменена на пушку Нудельмана — Суранова НС-37. Самолёт получил наименование К-37, но в серию не пошёл из-за отсутствия свободных производственных мощностей системы НКАП.

35-я серия Установлены автоматические предкрылки. Расположенную на правом крыле трубку Пито перенесли под крыло. Радиатор увеличенного сечения, соответственно больший воздухозаборник. Убирающееся хвостовое колесо. Выпуск с августа 1942 до весны 1943 года. Выпускал только авиазавод № 31 (г. Тбилиси), эвакуированный из Таганрога в октябре 1941 г., главный конструктор ОКБ-31, руководитель проекта по созданию ЛаГГ-3 — В. П. Горбунов. Авиазавод № 31 с конца 1942 до середины 1944 г. — единственный завод, выпускавший ЛаГГ-3.

66-я серия Последняя серия для ЛаГГ-3 и последним самолётом с двигателем жидкостного охлаждения созданным в ОКБ-21 под руководством С. А. Лавочкина в г. Горьком. Имел облегчённую раму. Масса самолёта 2990 кг. Сравнительные испытания самолёта 66-й серии с машинами прежних выпусков, произведённые в НИИ ВВС в Свердловске, показали, что эта модификация имеет самые лучшие характеристики среди ЛаГГ-3 всех выпусков. Скорость у земли 542 км/ч, на высоте 591 км/ч. Скороподъёмность 900 м/мин, потолок 9600 метров. Некоторые узлы унифицированы с Як-1Б. Лобовое бронестекло как у Ла-5 (толщина бронестекла 55 мм). Выпуск с весны 1943 по июль 1944 года на заводе № 31 в Тбилиси. Считается завершающей серией.