Модификация истребителя Як-9Д отличалась от базовой модели большим запасом топлива – 480 кг (Як-9 320 кг). Топливо размещалось в четырёх баках (на Як-9 в двух): двух корневых по 208 л и двух консольных по 117 л. Максимальная дальность полёта выросла до 1360 км.

Вооружение серийного Як-9Д состояло из 20-мм мотор-пушки ШВАК с боезапасом в 120 снарядов и одного 12,7-мм синхронного пулемета УБС с 200 патронами.

14 января 1943 в НИИ ВВС начались государственные испытания Як-9Д. В феврале 1943 года Государственный Комитет Обороны принял решение о серийном выпуске истребителей Як-9Д и Як-9Т в самые сжатые сроки.

Чтобы составить рекомендации для строевых пилотов по эффективному использованию дальних истребителей провели войсковые испытания трех Як-9Д в 18ИАП и в 20ИАП. Основным выводом по результатам испытаний было пожелание военных использовать истребитель по своему прямому назначению на больших удалениях от аэродрома базирования. Як-9Д не рекомендовали применять в смешанных с другими истребителями боевых порядках.

Истребитель Як-9Д был быстрее Як-9Т на 20 км/час. При этом Як-9Д был тяжелее примерно на 50 кг, но имел улучшенную аэродинамику и отличался качеством сборки. Если Як-9Д поднимался в воздух с полной заправкой баков, то он проигрывал в маневренности другим модификациям Як-9. Поэтому в боевых частях, внешние баки обычно не заправляли. Летчики предпочитали иметь более маневренный и скоростной истребитель. Тем более редко бывало необходимо истратить все 650 л бензина.

Производство Як-9Д началось в марте 1943 года и продолжалось до июня 1946 года. Заводы №153 и №166 выпустили 3058 истребителей модификации Як-9Д.