Спеша предъявить машину военным, гак и не успели провести ее заводские испытания в полном объеме. В итоге орудие и его установку пришлось дорабатывать в НИИ ВВС в ходе государственных испытаний, начавшихся весной 1941 г.

Ведущими на этом этапе были инженер Таракановский и летчик Чигарев. По отзывам испытателей, техника пилотирования истребителя не изменилась. При стрельбе из крупнокалиберной пушки как одиночными выстрелами, так и очередями до 20 снарядов режим полета машины не изменялся. В заключении акта по результатам государственных испытаний, утвержденного за 16 дней до начала войны, говорилось: "После проведенных доводок  авиационная моторная пушка калибра 37 мм системы В.Г.Шпитального, установленная на ЛаГГ-3 М-105П государственные испытания выдержала.

Для отработки боевого применения  ЛаГГ-3 с 37-мм пушкой системы Шпитального и проверки надежности установки в условиях эксплуатации строевыми частями ВВС Красной армии необходимо построить войсковую серию с 37-мм пушкой и двумя БСами для укомплектования одного полка в количестве 70-75 самолетов".

Скорее всего, звено "ЛаГГов" с пушкой Ш-37 впервые использовалось в боях на московском направлении в октябре 1941 года в составе 43-й авиадивизии. Тогда мощное вооружение этих машин не удалось использовать в полной мере из-за многочисленных конструктивных и производственных дефектов пушечной установки. Тем не менее Шпитальный считал, что применение нового оружия прошло успешно, и доложил Сталину об уничтожении пяти средних танков, но промолчал, что в этом же месяце звено истребителей перестало существовать.

В 1941 году завод № 21 построил первые 20 ЛаГГ-3 с 37-мм пушками Ш-37 (заводское обозначение - тип 38), а в следующем, до перехода предприятия на выпуск Ла-5, - еще 65 машин.

Эти самолеты стали основой 42-го ИАП подполковника Ф.И. Шинкаренко (с 9 октября полк стал именоваться 133-м гвардейским), в составе которого в марте 1942 года начались их войсковые испытания на Брянском фронте. В состав комиссии от НКАП сначала включили Гудкова, не имевшего к артиллерийской установке никакого отношения, и лишь после обращения А.С.Яковлева в ВВС вместо него назначили Лавочкина.

"Первое испытание в бою, - вспоминал Шинкаренко, - прошло вне предусмотренной программы. Когда мы еще только готовились начать боевую работу, над аэродромом появилось несколько фашистских бомбардировщиков.

Два звена (восемь самолетов) "ЛаГГов" в воздушном бою сбили из пушек три самолета противника. Летчики, участвовавшие в этом бою, восторженно отзывались о пушке, снаряды которой оставляли большие пробоины в плоскостях и фюзеляже вражеских бомбардировщиков. Однако, несмотря на тренировки, некоторые летчики в первой же атаке израсходовали все патроны. Выяснилось также, что при ведении огня из пушки длинными очередями "ЛаГГ" терял скорость. Подобное мы замечали и раньше, когда тренировались в стрельбе по наземным целям, но в бою это проявилось особенно отчетливо".

Противник, узнав о появлении на фронте столь мощного оружия, буквально начал охоту за полком. В результате испытания пришлось прервать, а полк передислоцировали в Подмосковье, но не надолго. В мае 42-й ИАП направили на Западный фронт, подчинив 202-й авиационной дивизии полковника Б.И.Янсена. Почти после каждого боевого вылета летчики докладывали о сбитых самолетах противника. По свидетельству' Шинкаренко, командир эскадрильи капитан М.Горбанев первым в полку сбил дальний бомбардировщик Не-111, поразив его с дистанции 400 м, а это почти в два раза больше, чем практиковалось в боях для уничтожения воздушных целей. За август 1942 года в воздушных боях из 37-мм пушек было сбито 45 самолетов противника.

Кроме 42-го ИАП, "ЛаГГами" с 37-мм пушкой был укомплектован и 188-й ИАП подполковника Г.И.Черепанова.

В августе 1942 года на государственные испытания поступил противотанковый "ЛаГГ" с форсированным мотором М-105ПФ и новым воздушным винтом ВИШ-61П диаметром 3 м. На машине имелись доработанные рули высоты и поворота с аэродинамической компенсацией, снизившей нагрузки на командные органы управления, частично убирающийся костыль и пятибаковая топливная система прежнего объема. На крыле установили бомбодержатели и предкрылки. Кроме 37-мм пушки Шпитального имелся пулемет ВС с боекомплектом 140 патронов.

В период с 25 августа по 1 сентября 1942 года ЛаГГ-3 № 31213445 прошел государственные испытания. Они показали, что применение предкрылков и аэродинамической компенсации рулей облегчило управление самолетом (хотя управление рулем поворота оставалось еще тяжелым), время виража, несмотря на увеличение полетною веса, сохранилось, улучшилась поперечная устойчивость. Самолет устойчиво пикировал под утлом 60° с приборной скоростью 650 км/ч, но наивыгоднейшими углами были 30-40". Стрельба из 37-мм пушки не влияла на точность прицеливания, что было особенно важно в борьбе с бронетехникой.

В заключении НИИ ВВС отмечалось, что самолет может быть использован для поражения танков и бронемашин с броней до 40 мм, а также живой силы противника. Но эти выводы еще предстояло проверить в бою.

Несмотря на благоприятный отзыв ведущего института ВВС, ЛаГГ-3 с пушкой Ш-37 дальнейшего развития не получил. Чуть позже на ЛаГГ-3 испытывалась пушка калибра 45 мм, сделанная путем замены ствола у Ш-37. Причина отказа от Ш-37 заключалась в появлении пушки НС-37, разрабатывавшейся А.Э.Нудельманом и А.С.Сурановым в ОКБ-16 параллельно с Ш-37.

История этого орудия началась еще при жизни первого руководителя ОКБ-16 Я.Г.Таубина. В отличие от Ш-37, на НС-37 для работы автоматики пушки использовался не отвод газов из канала ствола, а привод от движущегося ствола с коротким ходом, с прямой подачей звеньевой патронной ленты. Это обстоятельство и определило впоследствии ее более высокие характеристики и надежность.

Как пушка впишется в машину, а, тем более, как поведет себя в воздухе, особенно при активном маневрировании, никто не знал, и Нудельман решил рассеять свои сомнения, обратившись к Лавочкину.

"9 сентября 1941 года, - вспоминал Нудельман, - мы с М.П.Бундиным и слесарем А.Ф.Сенички-ным выехали из Москвы в Горький, где приступили к установке первого опытного образца пушки на ЛаГГ-3. Прошло много лет, и до сих пор нельзя не удивляться решимости Лавочкина в трудное время начала войны применить на серийном самолете пушку, не прошедшую государственных испытаний. Здесь решила все интуиция большого конструктора, каким был Лавочкин. 10 октября закончили установку пушки и испытали caмолет в тире...

В работе над пушкой НС-37 мы всюду встречали большую поддержку. Это было и в КБ Лавочкина, и на заводе, где оно размещалось, все с большим желанием принимали участие в работе по установке пушки и подготовке самолета к государственным испытаниям. Сейчас, после нескольких десятилетий, трудно поверить в возможность проведения такого большого объема работы в столь короткий отрезок времени.

Своевременную доставку самолета на полигон тогда не сумели произвести из-за погоды, так как вылетевший на полигон ЛаГГ-3 совершил вынужденную посадку в Чебоксарах. Там его застало раннее наступление зимы, обильно выпал снег и потребовалось переставить самолет на лыжи. Лишь после этого, в феврале 1942 года ЛаГГ-3 (№ 312197) оказался на полигоне. Ведущими по самолету были инженер С.П.Мохов и летчик С.К.Воробьев.

Государственные испытания завершились в марте 1942 года. Автоматика пушки и на самолете действовала надежно, да и живучесть орудия была хорошей. Отчет о результатах испытаний подготовили быстро, и пушка руководством полигона рекомендовалась для принятия на вооружение. Несмотря на это, 30 апреля на совещании в ВВС решили повторить испытания НС-37, и для этого потребовалось переделать пушку под патрон от Ш-37, отличавшийся гильзой без бурта".

Доработанную пушку установили на тот же ЛаГГ-3, и с 21 июля по 17 августа она успешно прошла повторные госиспытания на полигоне в подмосковном Ногинске. Но от пожеланий до принятия окончательного решения порой проходит слишком много времени и приходится преодолевать значительные трудности. На этот раз, опять же по воспоминаниям Нудельмана, на пути перспективного орудия встал Шпитальный, который был вхож к Сталину. В этой ситуации еще неизвестный в Кремле конструктор Нудельман решил лично обратиться к Сталину, и интуиция вместе с уверенностью в своей правоте не подвели. 30 декабря 1942 года постановлением ГКО пушку НС-37 приняли на вооружение вместо орудия Ш-37.

Как нередко бывало в советские времена, еще не испытанное орудие начали устанавливать на серийные самолеты. В 1942 году завод № 21 построил 15 ЛаГГ-3 с пушками НС-37, получивших обозначение "тип 33". По сравнению с машинами, оснащенными орудиями Шпитального, самолеты получились значительно легче, в чем немалую роль сыграли и новшества, внедренные в последние серийные "ЛаГГи". В связи с переходом завода № 21 на выпуск Ла-5, последующее производство противотанковых ЛаГГ-3 осуществлялось в Тбилиси. Сколько их построили, установить не удалось.

Войсковые испытания ЛаГГ-3 с НС-37 проходили с 21 апреля по 7 июня 1943 года на Калининском фронте в составе 1-й воздушной армии. Затем НС-37 начали устанавливать на истребители Як-9Т и штурмовики Ил-2. Тем самым ЛаГГ-3, который до 1943 года был самым массовым истребителем на фронтах Великой Отечественной, проложил дорогу пушке НС-37, уничтожившей много немецкой бронетехники.