图曼斯基 R-15-300 涡轮喷气发动机
Ye-150 试验机于1959年8月8日在米高扬试飞员亚历山大•V•菲多托夫的驾驶下进行了首次试飞，全面的测试工作随后全面展开，截至 1962 年 1 月 15 日全部完成，总共试飞 42 次。测试了包括速度包线和实用升限，爬升率等一系列指标，在第 28 次试飞时，E-150 在 19,000 米的高度达到了 2.72 马赫（此时该机发动机还未打开全加力），而在进行这些实验时，Ye-150 的起飞重量都超过了 10 吨。
在最终形成的试飞报告中，Ye-150 在历次试飞中证实了它具备着 23,250 米的最大升限和在两分半钟内爬升到 15,000 米高度，四分半钟内爬升到 20,000 米高度的优异性能，该机的验证试飞为米高扬设计局积累了丰富的高速飞机设计经验，尤其是积累了大量的飞行器在速度超过 2.5 马赫，高度超过 2.2 万米时的各方面状态的数据，并且，以试飞中切实出现的问题，向米高扬设计局提出了一个严峻的问题：飞行器在马赫数超过 2.5 以后，就会遭遇之前没有出现过的“热障”的问题。而这个问题的最终解决，却成为了米高扬设计局一个为各国航空人津津乐道的“创举”，这是后话，暂且不提。
由于早期的 R-15-300 发动机被证明存在严重的可靠性问题，因此，米高扬设计局在 Ye-150 的验证飞行还在进行的时候，就已经开始着手进行另外一种验证机 Ye-152 的设计工作，Ye-152 验证机与 Ye-150 一样基于图曼斯基 R-15-300 发动机进行研制，但由于对 R-15-300 可靠性的不信任,，米高扬设计局另外设计了一种安装两台 R-11F-300 型发动机（单台全加力推力为 56.3 千牛）的方案，后来该方案被称为 Ye-152A。
单发的 Ye-152-1 采用翼尖挂架，除起防颤配重作用外，还能阻止翼尖失速，一举多得，但接口是横向的，导弹安装起来很不方便
Ye-152A 把挂架改在翼下，使用两台 R-11F-300 引擎提高可靠性
Ye-152 的设计明显比之 Ye-150 更加精细，其后机身采用了面积率修形，并取消了复杂无用的多级进气道激波调节锥，重新恢复了类似米格-21 的激波锥外观，并在激波锥内安装了一台与 Ye-150 一样的“飓风”5B 型机载雷达，并在翼尖挂载 了2 枚处于研制阶段的 K-9 空空导弹用于测试性能，而 Ye-152A 则将导弹挂载位置改在了翼下，并试验安装了更新型的 TSP 型机载雷达。
1959 年 7 月 10 日，Ye-152A 在米高扬设计局首席试飞员莫索洛夫的驾驶下完成了首次试飞，整个试飞工作随即展开并持续了一年多的时间，最终于 1960 年 11 月 23 日全部结束，在整个试飞过程中，Ye-152A 在中空（高度 3,700 米）达到了 2,135 公里/小时的最大飞行速度，而在 20,000 米的高度上，Ye-152A 则达到了 2,500 公里的最大时速，整个飞行实验中，Ye-152A 测试出其爬升到 10,000 米高度所需的时间为 1.48 分钟，到 20,000 米则需要 7.64 分钟。最终测试结束后的 Ye-152A 已经达到了可以批产服役的程度，但该机较之之前的型号提高有限，技术进步幅度较小，更重要的是该机性能已经无法达到国土防空军的要求，因此，该机最终还是停留在了试验机阶段。
后续的 Ye-152M 又把挂架改回翼尖，应用米格-21MF 一般的脊背线条增大载油量，前掀式的座舱罩别具一格，相当于整体风挡的再次延伸
单发的 Ye-152 的生产则由于发动机延期等原因而比双发型要迟缓一些，直至 1961 年 3 月 16，第一架 Ye-152 原型机才被生产出来并送达测试中心，并在同年 8 月进行了试飞，单发的 Ye-152 的飞行性能比双发的 Ye-152A 要好一些，但仍旧没有取得突破性进展，而且其综合性能也不尽人意，更加要命的是当时 R-15-300 发动机依旧无法完成量产，因此，Ye-152 虽然制造了几十架，但最终仍旧还是一架试验机，后来，在 Ye-152 的基础上，测试了新的 RP-S 雷达（旋风 A 雷达的前身），原来的 K-9 导弹因为遭遇到一些问题而被放弃，于是，在安装 RP-S 雷达的 Ye-152 上，换装了新型的 K-80（该导弹最终装备在了图-128 提琴手截击机上）进行了一系列测试，而 R-15-300 发动机也更换为 R-15B-300 发动机（也就是最后安装在米格-25 上的发动机）。经过这一系列改装之后的飞机被冠以 Ye-152M 的编号，并曾以 Ye-166 的编号进行了一些创纪录飞行。
E-152P/M 4 面图
从 1958 年开始，米高扬设计局在以 Ye-150 为开端的一系列三角翼大型试验机上，测试了诸如在马赫 2.2 以上速度下的飞行品质，飞行力学特性，发动机推力变化等一系列试验，并测试了新一代机载火控系统的效能，为日后一系列新型战机的研制打下了坚实的基础，这一系列试验机被后世研究者形象的称为“大米格”试验机系列，在米高扬设计局向更高更快的领域发起冲击的征途中，这些“大米格”们留下了不可磨灭的印记，立下了累累功勋。
在经过“大米格”的验证之后，米高扬设计局积累了相当丰富的设计经验，这使得设计一款速度超过 2.5 马赫，作战高度超过 2.2 万米的新型战机成为可能，这一切条件的成熟，使得我们的主角—米格-25 的形象，逐渐的明晰了起来。
在“大米格”系列样机与 R-15-300 发动机进行磨合的同时，米高扬设计局已经开始着手基于 R-15-300 发动机设计一种双发大型高空高速战机，其初期设计方案于五十年代中后期几乎与 Ye-150 同时提出，最初，米高扬设计局的初期设计部在其部门首席设计师贝利亚科夫（也就是后来米格-29 的总设计师）的领导下，先后共拿出了三个设计草案，第一个方案采用了两侧进气的下单翼布局，并拥有一个面积相当庞大的单垂尾，但在后续研究中发现，该布局所存在的最大的问题就是，下单翼布局使得该机翼下空间不足，而当时苏联所能拿出的中程空空导弹如 K-9、K-40 等，其体积均十分巨大，下单翼布局并不适合携带这些大型导弹，因此，最终设计局终止了这一方案的前期研发，随后，贝利亚科夫领导的设计小组迅速拿出了极其大胆的第二方案，在这套方案中，飞机的机翼布置改为适合携带大型导弹的上单翼布置，两台 R-15 发动机别出心裁的采用了上下排列的布置形式，上面一台发动机布置在垂尾的根部，其布置形式类似今天一些客机的布置，这个方案的最大优点是如此主机体内只需布置一台发动机，从而大大减小了飞机的迎风面积，使得阻力系数大大下降，但如此则上面一台发动机因加力燃烧室长度的缩短而受到了相当严重的推力损失，而且由于将一台发动机布置在垂直尾翼根部，导致垂直尾翼的面积因整机高度的限制而无法做得很大，由此带来的重大问题是方向安定性不足，对这样一架以高空高速为主要设计目标的飞机来说，这个问题几乎是致命的，因此，最终这个方案也遭到了淘汰的命运。