Анализ применения ВВС в Испании показал, что немецкие истребители Bf 109 превосходят отечественные И-16 и И-15. Поэтому в январе 1939 года НКАП выдал техническое задание на истребитель общего назначения. Созданием нового самолёта занялись сразу три КБ: Поликарпова, Сухого и Яковлева. Небольшой конструкторский коллектив ОКБ-301 (Семен Алексеевич Лавочкин, Владимир Петрович Горбунов и Михаил Иванович Гудков), возникший в 1938 году, работал над цельнодеревянными истребителями и решил также представить на конкурс свою работу. Гудков прежде никогда не занимался конструированием самолётов. В. П. Горбунов и С. А. Лавочкин были сотрудниками 1-го Главного управления НКАП. Первоначально группа работала на заводе в Кунцеве (ещё в 1938 г. остававшемся мебельной фабрикой), где производились самолётные винты и лыжи. Вскоре после того, как Горбунов стал начальником 4-го отдела 1-го главного управления НКАП, его и остальной коллектив перевели в распоряжение директора завода № 301 в Химках.

Прототип
   Прототипом являлся И-22 — одноместный цельнодеревянный низкоплан. В конструкции самолёта широко использовали берёзовую фанеру и сосну. Из Дельта-древесина марки ДСП-10 изготавливали полки лонжеронов, нервюры, и отдельные детали передней части фюзеляжа. Из-за применения древесины ЛаГГ-3 был гораздо тяжелее своих конкурентов и весил 2968 кг (яковлевский прототип И-26 — 2700 кг). Двигатель рядный, жидкостного охлаждения М-105П мощностью 1050 л.с., разработанный в КБ Климова. Винт трёхлопастный ВИШ-61П. Вооружение состояло из пары УБС (230 выстрелов на ствол) и ПТБ-23 (81 выстрел) (которая затем была заменена на ещё один УБС).

   30 марта 1940 года Никашин Алексей Иванович впервые облетал прототип. Ёмкость трёх главных топливных баков, расположенных в фюзеляже составляла 340 литров, что обеспечивало дальность полёта порядка 600 км, но к тому времени НКАП выдал новое требование к фронтовому истребителю, согласно которому дальность должна была быть не менее 1000 км. За исключением этого недостатка И-22 отвечал всем поставленным техническим требованиям. Второй прототип И-301 строился уже в Химках. Он проектировался под двигатели М-105ТК-2 и М-106П, первый опытный образец И-301 появился весной 1940, но моторостроители не довели до требуемой надёжности проектные двигатели. Это вынудило поставить на опытную машину серийный мотор М-105П, что ухудшило лётные данные. И-301 первым из советских одномоторных истребителей получил навигационный прибор — радиополукомпас (на серийные машины РПК не устанавливался).

   Заводские испытания И-301 завершились 12 апреля 1940 г. А 29 апреля приказом НКАП его включили в список самолётов, участвующих в первомайском воздушном параде. Истребитель был покрыт лаком вишнёвого цвета и отполирован, за что и получил прозвище «рояль». 14 июня 1940 г. И-301 приняли в НИИ ВВС. Ведущим инженером назначили М. И. Таракановского (участника заводских испытаний), ведущим лётчиком — П. М. Стефановского; в испытательных полётах принимал участие Супрун, Степан Павлович. Всего совершили 42 полёта общей продолжительностью 16,5 часов. Но программа выполнения испытаний на пикирование и фигур высшего пилотажа, включая штопор, полностью выполнена не была, не удалось проверить в воздухе работу вооружения. Государственные испытания заняли шесть дней, закончившись 27 июня.

   Из протокола приёмной комиссии: «1. Предъявленный на государственные испытания 1-й экземпляр… И-301 с мотором М-105П их не выдержал… 3. Признать, что … И-301 представляет несомненный интерес для ВВС, как в части своего материала — упроченная древесина, мощного вооружения, так и в части максимальной скорости — 605 км/ч.»

   Среди перечислявшихся недостатков отмечались высокая посадочная скорость (около 140 км/ч, заданная 115), плохой обзор из кабины (низкое качество плексигласа), перегрев воды и масла при наборе высоты, недостаточная продольная устойчивость, большая нагрузка на основные шасси при взлёте, отсутствие посадочной фары и радиостанции.

   26 июля 1940 г. Совнарком принял решение о развёртывании серийного производства И-301 на заводе № 23 в Ленинграде. После изменения системы обозначения советских военных самолётов машина стала именоваться ЛаГГ-1, а после приказа НКАП от 23 ноября о выпуске варианта с увеличенной дальностью полёта (пятью баками), как ЛаГГ-3. В декабре Лавочкина, Горбунова и Гудкова удостоили Сталинской премии.

Серийное производство
   Правительство 10 октября 1940 г. приняло решение запустить под обозначением ЛаГГ-3 истребитель И-301 в массовое производство Выпуск начали на четырёх Государственных авиационных заводах(ГАЗ), ГАЗ-21 в Нижнем Новгороде (Горьком), ГАЗ-23 в Ленинграде, ГАЗ-31 в Таганроге и ГАЗ-153 в Новосибирске. Приказ НКАП о запуске в серию улучшенного И-301 с увеличенным запасом топлива на заводе № 21 вышел 23 ноября 1940 г. Первоначально Лавочкина направили на ГАЗ-21, но пробыл он там недолго, ему приказали выехать в Горький и возглавить опытное производство. Головным был определён завод в Горьком, в Таганрог направлялся Горбунов; Гудков оставался в Химках в должности главного конструктора ОКБ. Первым налаживать серийное производство истребителей начал ленинградский ГАЗ-23. На декабрь 1940 г предприятию запланировали выпуск пяти ЛаГГ-1. Фактически же серийные машины стали покидать заводские цеха в следующем году уже в варианте ЛаГГ-3. Первый самолёт вышел на аэродром в феврале 1941 года. До эвакуации ленинградцы смогли сдать заказчику 65 истребителей.

   Первый ЛаГГ, изготовленный в Горьком, поднялся в воздух с заводского аэродрома 23 января 1941 г., однако военной приемкой он был принят только 24 февраля. В Таганроге первый самолёт поднялся в воздух 23 февраля.

   Контрольные испытания ЛаГГ-3 первой серии закончились в НИИ ВВС 20 июня 1941 г., фактически это были государственные испытания, поскольку первый раз госиспытания И-301 не прошел. В ходе испытаний удалось выявить массу конструктивно-производственных и эксплуатационных дефектов, устранять которые пришлось уже во время войны. На ЛаГГ-3 первых серий устанавливали радиопередатчик РСИ-3 «Орёл» обеспечивающий связь на пяти фиксированных частотах.

Техническое описание
   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. К передней части фюзеляжа крепится металлический лафет под мотораму и вооружение. 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, шпаклёвку и тщательное зашкуривание неровностей перед покраской. Лафет представляет собой сварную силовую ферму из оцинкованных стальных труб.

   Крыло, набранное из двояко выпуклых несимметричных профилей NACA-23016 (в корне) и NACA-23010 (в консолях) относительной толщиной 16 и 10 % соответственно, технологически делилось на центроплан и две двухлонжернные 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. Фюзеляж крепится к центроплану на четырёх стальных узлах. 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 закругленными концами. Механизация крыла включает элероны типа «Фрайз» со 100 % весовой компенсацией и посадочных четырехсекционных (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 трех 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 x 180 мм. Хвостовая опора шасси убираемая, после начала войны неубирающийся костылевое.

   Управления 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, жестких трубчатых тяг и качалок, проводка управления рулём направления — тросовая. Выпуск и уборка щитков-закрылков — с помощью гидропривода.

   Моторная рама из стальных труб 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.