Myśliwiec Jak-9D o zwiększonym zasięgu lotu i silniku M-105PF był jedną z najbardziej masywnych modyfikacji Jak-9. Zapotrzebowanie na taki myśliwiec pojawiło się, gdy wojska radzieckie zaczęły dokonywać głębokich przełamań w obronie wroga, a podczas gwałtownej ofensywy istniało niebezpieczeństwo oderwania wojsk lądowych od osłaniających je samolotów. Zwiększenie zasięgu lotu osiągnięto poprzez zainstalowanie czterech zbiorników gazu o masie 480 kg. Rezerwa oleju została zwiększona do 48 kg, masa lotu wzrosła do 3117 kg. Produkcja seryjna trwała od marca 1943 do czerwca 1946, wyprodukowano 3058 egzemplarzy. Doświadczenia z bitew powietrznych pokazały, że Jak-9D do wysokości 3500 m miał przewagę nad Me-109G-2 i FW-190A-8 na przemian, a przy zużyciu około połowy paliwa w ciągu manewr pionowy.