OKB Yakovlev tạo ra 22 sự thay đổi trên Yak-9, trong đó có 15 cải tiến được sản xuất hàng loạt. Sau đây là những phiên bản nổi tiếng:

• Yak-9 - Phiên bản sản xuất đầu tiên, trang bị động cơ Klimov M-105PF công suất 880 kW (1.180 hp), 1x pháo ShVAK 20 mm với 120 viên đạn và 1x súng máy UBS 12.7 mm co 200 viên đạn.
• Yak-9 (M-106) - Mẫu thử nghiệm với động cơ Klimov M-106-1SK công suất 1.007 kW (1.350 hp), không được đưa vào sản xuất do các vấn đề với động cơ.
• Yak-9T - Yak-9 vũ trang với 1 khẩu pháo 37 mm Nudelman-Suranov NS-37 với 30 viên đạn thay cho khẩu 20 mm ShVAK, buồng lái chuyển về sau 0.4 m (1 ft 3 in) để cân bằng cho phần mũi nặng nề. Lúc đầu do việc điều khiển kém dẫn tới việc dầu và chất lỏng bị rò rỉ do sức giật khi bắn của pháo trên máy bay. Sức giật lại và sự trang bị hạn chế đạn dược đòi hỏi phi công phải ngắm bắn chính xác và chỉ bắn loạt từ 2-3 viên đạn. Yak-9T được sử dụng rộng rãi để ngăn chặn quân địch ở Biển Đen và xe tăng, nhưng nó cũng chống lại máy bay rất tốt.
• Yak-9TK - Yak-9T được trang bị một trong các khẩu pháo: 20 mm ShVAK, 23 mm VYa, 37 mm NS-37, hoặc 45 mm NS-45 ở bộ phận hình chữ V ở động cơ. Không được sản xuất do pháo 20 mm và 30 mm không quan trọng và pháo 45 mm không đáng tin cậy.

• Yak-9K - Yak-9T sửa đổi với pháo 45 mm Nudelman-Suranov NS-45 có 29 viên đạn và một phanh hãm nòng để ngăn lực giật lại của nòng pháo. Tốc độ viên đạn là 350 km/h (220 mph). Nó cũng bị sử dụng hạn chế vì sự không tin cậy của NS-45.
• Yak-9D - Phiên bản tầm xa của Yak-9, tăng sức chứa nhiên liệu từ 440 lít (115 galông) lên 650 lít (170 galông) làm tầm bay tăng lên 1.360 km (845 mi). Thiếu trang bị dẫn đường bằng radio.
• Yak-9TD - Yak-9D với pháo NS-37 và trang bị thêm 4 quả bom 50 kg (110 lb) FAB-50 dưới cánh.
• Yak-9B - Phiên bản tiêm kích-ném bom của Yak-9D (nhà máy chế tạo gọi tên Yak-9L) với 4 quả bom 100 kg (220 lb) FAB-100 hoặc 4 chùm bom PTAB trang bị 32 quả bom nhỏ 1.5 kg (3.3 lb).
• Yak-9DD - Yak-9D và Yak-9T sửa đổi để tăng tầm hoạt động, tăng khả năng nạp nhiên liệu lên 845 lít (220 gallons) để đạt đến tầm bay là 2.285 km (1.420 mi), trang bị radio dẫn đường ban đêm và bay trong thời tiết xấu. Yak-9DD được sử dụng chủ yếu để hộ tống máy bay ném bom Petlyakov Pe-2 và Tupolev Tu-2. Vào năm 1944, vài chiếc được dùng để hộ tống máy bay ném bom B-17 Flying Fortress và B-24 Liberator tấn công România.
• Yak-9M - Yak-9D với buồng lái chuyển về sau 0.4 m (1 ft 4 in) giống như Yak-9T, được cải tiến nhiều dựa vào các phiên bản trước đây.
• Yak-9M PVO - Yak-9M với khả năng nạp nhiên liệu giảm bớt, động cơ Klimov VK-105PF2 công suất 925 kW (1.240 hp), trang bị radia và hệ thống dẫn đường ban đêm và trong mọi thời tiết, được sử dụng trong Quân chủng Phòng không Xô viết.
• Yak-9S - Yak-9M với động cơ Klimov VK-105PF, cánh quạt mới, và vũ trang gồm 1 pháo 23 mm Nudelman-Suranov NS-23 60 viên đanh, 2 pháo 20 mm Berezin B-20 120 viên đạn mỗi chiếc. Không được sản xuất do hiệu suất kém so với Yak-3 và Yak-9U.
• Yak-9P - Súng máy UBS được thay thế bằng một pháo 20 mm ShVAK 175 viên đạn, không được đưa vào sản xuất do việc đưa vào sử dụng pháo nòng lớn hơn.
• Yak-9P (VK-107) - Yak-9U với cánh chế tạo hoàn toàn bằng kim loại, Yak-9P trong trường hợp này là một tên gọi do nhà máy chế tạo đặt khác với Yak-9P có 2 pháo ShVAK (ở phía trên).
• Yak-9PD - Máy bay đánh chặn (không liên quan đến 2 tên gọi Yak-9P ở trên) với động cơ Klimov M-105PD thiết kế đặc biệt để ngăn chặn những chiếc máy bay trinh sát bay cao của Không quân Đức loại Junkers Ju 86R bay trên bầu trời Moskva vào những năm 1942-1943. Thoạt đầu nó có hiệu suất kém tin cậy sau đó được cải thiện đáng kể do thay thế bằng động cơ Klimov M-106PV, máy bay đạt đến độ cao 13.500 m (44.300 ft) trong khi thử nghiệm. Vũ khí chỉ gồm pháo ShVAK để đảm bảo trọng lượng.

• Yak-9U (VK-105) - Yak-9T với động cơ Klimov VK-105PF2, cải tiến hình dạng khí động học và cấu trúc cải tiến được đưa vào Yak-3. Sự khác nhau với Yak-9T là bình giảm nhiệt bằng dầu tương tự như trên Yak-3. Vũ khí được tăng thêm với 1 pháo VYa 23 mm có 60 viên đạn và 2 súng máy 12.7 mm UBS gồm 171 viên đạn mỗi súng.
• Yak-9U (VK-107) - Phiên bản cuối cùng của Yak-9, là Yak-9U (VK-105) trang bị động cơ mới loại Klimov VK-107A công suất 1.230 kW (1.650 hp), pháo 20 mm ShVAK 120 viên đạn thay thế cho pháo VYa. Những cuộc thử nghiệm vào đầu năm 1943 cho thấy chỉ có mẫu thử nghiệm Polikarpov I-185 là có thể so sánh được. Vận tốc cực đại đạt 700 km/h (435 mph) trên độ cao 5.600 m (18.370 ft) nhanh hơn bất kỳ máy bay chiến đấu nào sản xuất vào cùng thời điểm đó trên thế giới. Đây là máy bay chiến đấu Xô viết tốt nhất ở trên cao.
• Yak-9UV - Phiên bản huấn luyện 2 chỗ của Yak-9U (VK-107), trang bị một pháo Berezin B-20 100 viên đạn. Không được sản xuất.
• Yak-9UT - Yak-9U (VK-107) vũ trang 1 pháo 37 mm Nudelman N-37 với 30 viên đạn và 2 pháo 20 mm Berezin B-20 120 viên đạn mỗi khẩu, tương tự như Yak-9TK có thể thay thế sử dụng giữa N-37 với pháo 20 mm B-20, 23 mm NS-23, hoặc 45 mm N-45. Việc sản xuất máy bay trang bị pháo NS-23 thay vì N-37.
• Yak-9V - Phiên bản huấn luyện 2 chỗ của Yak-9M và Yak-9T, trang bị động cơ Klimov VK-105PF2, vũ khí là 1 pháo 20 mm ShVAK 90 viên đạn.
• Phiên bản khác - Vào đầu những năm 1990, Yakovlev bắt đầu sản xuất giới hạn cho thị trường máy bay tư nhân những chiếc Yak-9 và Yak-3, trang bị giống như những phiên bản trong Chiến tranh thế giới II và thay động cơ mới loại Allison V-1710.