Après ses études d'ingénieur à l'université de Moscou, il travailla à partir de 1927 dans l'industrie aéronautique de l'Union soviétique puis à l'institut d'aérohydrodynamique TsAGI à partir de 1929. En 1938, il fut nommé chef de bureau d'études. En 1940, il développa le chasseur LaGG-1 (Lavotchkine-Gorbounov-Goudkov), puis une version améliorée munie de réservoirs auxiliaires désignée LaGG-3. Une version plus puissante équipée d'un moteur refroidi par air fut construite en grande série sous la désignation La-5 à partir de 1942. Elle fut sans cesse améliorée (versions La-7, La-9).
Dès 1945, Lavotchkine construisit des avions à réaction à ailes en flèche. Un prototype qui fit son premier vol en 1947 donna naissance au chasseur La-15.