Учитывая опыт боевого применения истребителя Як-7, замечания и предложения лётчиков, А. С. Яковлев внес в машину ряд существенных изменений. В новом варианте самолёта вместо деревянных коробчатых лонжеронов крыла использовали металлические двутаврового сечения. Это позволило значительно увеличить объем бензобаков и, следовательно, дальность полёта. Для лучшего наблюдения за задней полусферой по-новому сконструировали фонарь кабины и верх хвостовой части фюзеляжа. Вес пустого самолёта (в зависимости от вооружения) стал 2200—2350 кг, взлётный — 2875—3060 кг.

По существу, это был новый самолёт, 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 самолётом воздушного боя.

По скорости, маневренности, дальности полёта 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 самолётов 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 пулемёта. На варианте Як-9В (бомбовый) устанавливалось 3 крупнокалиберных пулемёта УБС, в фюзеляже за кабиной подвешивалось несколько бомб общим весом до 400 кг.

Истребители Як-9Д (дальний) и Як-9ДД (дальний дистанционный), использовавшиеся для сопровождения бомбардировщиков, наносивших удары по тылам противника, имели увеличенные внутренние баки, а Як-9ДД ещё и подвесные сбрасываемые. Дальность Як-9ДД достигла 2200 км. В 1944 году группа этих самолётов выполнила беспосадочный перелёт из СССР в Бари (Италия).

Серийно строились и разведывательные варианты машин — Як-9Р и Як-9УФ (фоторазведчик). Всего заводы произвели 16 769 самолётов Як-9 различных модификаций.