Учитывая опыт боевого применения истребителя Як-7, замечания и предложения летчиков, А.С.Яковлев внес в машину ряд существенных изменений. Его непосредственным предшественником был Як-7ДИ. В новом варианте самолета вместо деревянных коробчатых лонжеронов крыла использовали металлические двутаврового сечения. Это позволило значительно увеличить объем бензобаков и, следовательно, дальность полета. Обшивка крыла фанерная, работающая, довольно толстая. Для лучшего наблюдения за задней полусферой по-новому сконструировали фонарь кабины и верх хвостовой части фюзеляжа. Вес пустого самолета (в зависимости от вооружения) стал 2200-2350 кг, взлетный — 2875-3060 кг.

По существу, это был новый самолет, хотя заводам при его постройке потребовалось внести совсем небольшие изменения в технологию производства и оснастку. Поэтому они смогли быстро освоить модернизированный вариант истребителя, получившего название Як-9. С 1943 года Як-9 стал, по существу, основным самолетом воздушного боя. Это был самый массовый тип фронтового самолета-истребителя в составе наших ВВС в годы Великой Отечественной войны По скорости, маневренности, дальности полета и вооружению Як-9 превосходил все серийные истребители фашистской Германии. На боевых высотах (2300-4300 м) истребитель развивал скорость соответственно 570 и 600 км/час. Для набора 5 тыс. м ему было достаточно 5 минут. Максимальный потолок достигал 11 км, что позволяло использовать Як-9 и в системе ПВО страны для перехвата и уничтожения высотных самолетов противника.

В ходе войны конструкторское бюро создало несколько модификаций Як-9. Они отличались от основного типа главным образом вооружением и запасом горючего. Основной Як-9 строился с двигателем ВК-105ПФ мощностью 1240 л. с., имел 1 пушку калибра 20 мм, а затем 37 мм и 2 крупнокалиберных пулемета. Серийно строились и разведывательные варианты машин — Як-9Р и Як-9УФ (фоторазведчики), Як-9В — вывозной самолет, Як-9 "Курьерский". Всего заводы произвели 16 769 самолетов Як-9 различных модификаций.