Штурмовать наземные цели на Як-1 неоднократно приходилось и генерал-полковнику авиации, Герою Советского Союза Семену Ильичу Харламову. Он рассказывал, как под Сталинградом перед ними была поставлена задача разрушить железнодорожные коммуникации противника. Юркие «яки» превратились в грозные штурмовики, стали охотиться за паровозами. Паровоз хоть и не боевая машина, но сверху достаточно хорошо защищен. Стрелять из малокалиберной пушки по его надстройкам практически бесполезно, и поэтому нужно было вывести из строя его самую уязвимую часть - паровой котел. Летчики заходили сбоку и на бреющем расстреливали его, причем летать надо было как можно ниже, чтобы снаряды попадали под прямым углом и не рикошетировали от обшивки котла. За короткое время расстреляли несколько десятков паровозов. Насквозь продырявленные, они надолго замирали на путях, сковывая передвижение немецких войск.

Обобщая опыт боевого применения Як-1, летчик-испытатель Степан Павлович Супрун дал такую оценку машине: «Воздушный бой с Ме-109Ф на высотах до 3000 м Як-1 проигрывает по всем показателям, в том числе по скорости и скороподъемности. На высоте 3000 метров Як-1 не уступает Ме-109Ф, а на больших высотах превосходит по всем характеристикам. Рекомендуется летчикам завязывать или переводить бои на высоту более 3000 метров, в бою рекомендуется использовать боевые развороты и правые виражи. Промышленности следует улучшить характеристики Як-1, так как все бои проходят в основном на высоте 2000 метров».

Выход был найден довольно быстро: за счет простой перерегулировки двигателя его мощность удалось поднять с 1100 до 1210 л.с. Летные данные Як-1 улучшились. Впоследствии этот мотор получил название М-105ПФ. Учитывая пожелания пилотов, летом 1942 г. были сделаны и другие доработки. Среди наиболее важных изменений, внесенных в конструкцию, были новый фонарь кабины пилота без гаргрота на хвостовой части фюзеляжа, установка переднего и заднего бронестекол, замена двух пулеметов ШКАС на один крупнокалиберный БС. Шесть ракетных установок РС-82, применявшихся на Як-1 ранних выпусков, сняли с целью улучшения летных характеристик и снижения веса. В результате всех доработок существенно улучшился обзор задней полусферы, эффективность оружия возросла. В дальнейшем фонарь без гаргрота и вооружение, состоящее из одной пушки ШВАК в развале цилиндров мотора, и одного пулемета БС, стало стандартным для большинства истребителей А. С. Яковлева.

Летом 1942 г. на Як-1 установили новый более мощный мотор М-106. Хотя скорость машины возросла до 630 км/ч, самолет и мотор так и остались в опытных образцах. Не выдержал испытаний и Як-1 с еще более сильным мотором М-107. Гораздо большее влияние на летные характеристики оказало уменьшение размеров самолета и его предельное облегчение. Такая модификация, получившая название Як-1М, была выполнена в начале 1943 г. Площадь крыла Як-1М сокращена с 17,58 м2 до 14,7 м2, а вес уменьшился более, чем на 200 кг. Самолет успешно прошел испытания и при запуске в серийное производство получил название Як-3. Начало другому направлению развития истребителя положил самолет УТИ-26 - «учебно-тренировочный истребитель». На протяжении многих лет А. С. Яковлев занимался созданием учебных самолетов, поэтому он, видимо, лучше других конструкторов понимал трудности массового переучивания летчиков на новые типы истребителей. Учитывая это, практически одновременно с боевыми И-26 в ОКБ был разработан двухместный учебно-тренировочный УТИ-26. От исходного И-26 он отличался только наличием второй кабины и отсутствием пушечного вооружения. Однако в таком виде самолет серийно не выпускался, хотя по летным характеристикам не уступал одноместному И-26. В дальнейшем самолет подвергся существенным переделкам по требованию военных летчиков, проводивших испытания УТИ-26, что в конечном итоге привело к созданию целого семейства самолетов Як-7 и Як-9. учебных и боевых.