Начиная с 5 октября 1941 г. в 43-й авиадивизии проходили войсковые испытания три ЛаГГ-З, вооруженные 37-мм пушками; согласно отчету эти самолеты смогли уничтожить пять немецких танков. Мощное вооружение буквально провоцировало использовать эти машины в качестве штурмовиков. Однако новые пушки Шпитального были еще сырыми и работали ненадежно. Воевали эти три истребителя недолго — в середине октября их сбили в районе Вязьмы.
Авиационная группировка на Московском направлении в преддверии «решительного» наступления немцев на столицу усиливалась — Ставка в начале октября перебросила сюда семь истребительных авиаполков, в том числе два (524-й и 415-й), вооруженных ЛаГГ-З.
В третьей декаде октября на Калининский фронт прибыли два полка, вооруженных ЛаГГами — 193-й (19 истребителей) и 129-й. Вся истребительная авиация фронта насчитывала 39 ЛаГГ3 и 17 МиГ-3. К 1 декабря количество боеготовых ЛаГГов уменьшилось до 35.
В составе 10-й смешанной авиационной дивизии действовал 168-й ИАП на самолетах ЛаГГ-З. Первоначально дивизия входила в состав ВВС Западного фронта, затем — в авиационную группу генерала И. Ф. Петрова. С 26 ноября истребители полка сопровождали пикировщики Пе-2 и Пе-3 при на несении ударов по наступающим войскам немцев на волоколамском, клинском и юхновском направлениях. ЛаГГи также и сами штурмовали вражеские колонны, мощное вооружение позволяло использовать их в этом качестве гораздо эффективней, чем «одноклассников» — МиГ-3 и Як-1. Особенно хорошо себя проявили самолеты, оснащенные пусковыми установками PC, причем ракетами стреляли и по воздушным целям — лейтенант Ф. Д. Межуев двумя PC сбил Bf.109F. На 1 января в составе истребительной авиации ВВС Калининского фронта насчитывалось 23 ЛаГГ-3, 7 МиГ-3, 14 Як-1, 22 И-16, еще восемь ЛаГГов и семь МиГов числилось в группе генерала Петрова, действовавшей на этом на правлении.
На Западном фронте ЛаГГи широко применялись как разведчики. В январе 1942 г. ЛаГГ-3 вместе с двухмоторными Пе-2 состояли на вооружении 3-го разведывательного авиационного полка.
В ходе наступления советских войск под Москвой численный и качественный состав ВВС фронтов увеличивался за счет поступления истребителей новых типов. Так в составе ВВС Калининского фронта по состоянию на 22 февраля 1942 г. числилось 13 истребительных авиационных полков, четыре из которых имели на вооружении Як-1 и пять — ЛаГГ-3 (5-й гвардейский, 21-й, 180-й, 193-й, 348-й). В 5-м гвардейском полку, вооруженном ЛаГГ-3 10-й серии, воевал в должности командира эскадрильи гвардии капитан Г. Д. Онуфриенко, к концу войны он сбил лично 21 самолет и 29 — в группе, причем 15 побед он одержал в составе 5-го ГИАП.
