作为现代战斗机中生产数量最大、生产时间最长的战斗机，说米格-21 身经百战是不为过的。和前辈米格-15 一样，米格-21 的战绩也是毁誉参半。米格-21 最初的名气是在越南战争中打出来的。北越空军除了装备米格-17、-19 外，也装备了米格-21。北越的米格-21 利用其相对于重载的美国飞机在速度和高度的优势，经常在地面雷达的指挥下，从高空高速俯冲而下，打了就跑，不和美军战斗机缠斗，弄得美军十分苦恼，尤其是担当战术攻击主角但机动性不怎么样的 F-105 机群。北越飞行员采用这个战术是有原因的。为了用最小的发动机和最小的机体阻力达到最大的速度，米格-21 的机翼较小，翼载较高，机动性不错但还不是太好，不宜纠缠。但实际上，这一代美军战斗机的缠斗性能也不是很好，但经验相对欠缺的北越飞行员对和经验老到的美军飞行员缠斗的信心较低，这才是采用打了就跑的战术的另一个原因。北越飞行员据说还是偏好速度较低但机动性更好的米格-17。在中东，埃及和叙利亚的米格-21 曾经给以色列的幻影 III 带来很大的压力，但以色列飞行员的素质和后来的 F-4、F-15 战斗机很快使埃、叙的米格-21 受到极大的威胁。埃、叙飞行员的心理素质可能是更大的问题，在 73 年的十月战争中，埃及的战斗机竟然主要躲在萨姆-6 防空导弹防线的后面，这样的心理状态怎么可能打胜仗呢？印度是苏联、中国之外最大的米格-21 用户，在 71 年印巴战争中，印度的米格-21 和巴基斯坦的 F-104 之间曾爆发过历史上第一次超音速状态下空战，结果是印度的米格-21 击落了巴基斯坦的 F-104。
米格-21 尽管优秀，但这毕竟是轻型战斗机。米格设计局在伊-320 落选之后，一直没有放弃对重型截击机的努力。50 年代末、60 年代初时，苏联国土防空军和美国的同行一样，着重于地面雷达导引的全自动拦截，机载雷达用于接过地面雷达指引的目标。面向北冰洋的广袤的北方是美国战略轰炸机入侵的最短途径，为了用尽可能少的截击机基地覆盖尽可能大的国土，截击机需要具有很大的速度、航程、探测距离很远的雷达和完善的机载电子设备，这对米格-21 这样的轻型战斗机时勉为其难了。米格设计局再 58 年将米格-21 的基本气动布局基础大大放大，研制了 ，采用了一台图曼斯基 R-15 涡喷发动机，推力高达 10,150 公斤，创造了好几个世界速度记录。Ye-150 基本上是为了速度和高度而优化的战斗机，作为实用型截击机还有不少问题。同时，新的 R-15 发动机正在面临很多技术问题，为了减小技术风险，做好生产准备，米格设计局先采用两台米格-21 上用的 R-11 发动机，进一步增大机体，这就是 Ye-152。Ye-152 挂载 K-7 重型空空导弹，较大的机头锥内可以容纳较大的雷达，适合远程高速截击。随着 R-15 发动机的成熟，米格设计局又转回单发布局，Ye-152 变成了 Ye-152-1，最终演变成基本上可以投产的 Ye-152P。Ye-152 甚至还在 61 年土希诺航展上露面，西方已经将其命名为米格-23。但这时更为先进、更有发展潜力的米格-25 已经跃然纸上，Ye-152 系列终于无疾而终，这个“超级米格-21”最终没有获得准生证。
单发的 Ye-150，曾创造了多个世界速度记录，进气调节锥不是简单的圆锥，而是有一个弧形过渡，在圆锥根部有一圈多孔环，用于吸走边界层，改善进气效率
Ye-152 采用两台米格-21 上用的 R-11 发动机
Ye-152 的搏杀利器是这两枚 K-9 重型空空导弹，注意 Ye-152 的机翼和平尾的间距比米格-21 要小，这是对机翼-尾翼气动交联深刻理解之后大胆后移机翼所致
Ye-152-1 则改回到单发，为了挂载翼尖的空空导弹，三角翼截去尖梢
Ye-152P 是 Ye-152 系列的终极型，已经达到生产标准，差点准备投产，但最终被米格-25 取代
Ye-166 是 Ye-152 的进一步发展，同样壮志未酬身先亡
从米格-3 到米格-21，短短 20 年里，米格成长为世界航空界里一棵耀眼的新星。不管是米格-3，还是米格-15、-17、-19，米格战斗机在苏联的生产期都不长，短则 2-3 年，长则 4-5 年，但米格-21 的生产期长达 20 年，在这很长的生产期内，自然也出现了很多以米格-21 为基础的研究机。除了上面已经提到的 Ye-150/152 系列，还有其他好几种比较主要的。冷战时期，核大战条件下空军如何保持出动是一个严峻的挑战，东西方为此投入大量的精力，研究垂直、短距起落战斗机。米格-21 作为这一时代苏联最先进的前线战斗机，当然不会错过这一大潮。为了尽可能保持米格-21 的基本气动外形和机械结构，米格设计局在米格-21F-13 的机身重心附近安装了两台升力发动机，用于在短距起落时提供达机身重量 1/3 的推力，大大缩短起落距离，这就是米格-21PD。由于米格-21PD 从来没有打算垂直起落，升力发动机的推力就不必超过机体重量，大大降低对升力发动机的要求。同时，不要求垂直起落也避免了悬停时的姿态控制问题，在结构和飞行控制上大大简化了。
短距起落是冷战时期在核大战条件下保持出动的一项重要要求，东西方在 50-60 年代都对短距起落作了大量的研究，米格-21 也不例外，这是加装两台升力发动机的米格-21PD 研究机
为了容纳两台升力发动机，进气道只得分叉，绕过升力发动机。升力发动机还占用了很多机内体积和重量，使本来就窘迫的航程更加窘迫，因此米格-21PD 最后没有实用化
飞机速度增加时，飞机的气动升力中心后移，飞机的低头力矩增加，需要压平尾以为了补偿，造成所谓配平阻力，也损失了平尾可以用于机动的控制作用。为了补偿，米格设计局在米格-21 的机头两侧加装鸭翼，以增加机头升力，为平尾卸载，增加机动性，也改善起落性能。这就是 Ye-8 研究机。米格设计局富有创意地将鸭翼在亚音速时像风向标一样随气流自由飘动，在超音速时固定，这样既能获得所需要的升力，又避免了机动鸭翼带来的飞行控制问题以及和全动平尾的协调问题。西方无尾三角翼战斗机的固定鸭翼也是大体一样的思路。为了进一步增大米格-21 的机头雷达罩的尺寸，米格设计局将进气口移到机腹，这成为 Ye-8 的另一个翻版。Ye-8 在试飞中出过一次严重事故，发动机在空中因为不明原因爆炸，试飞员莫索洛夫弹射跳伞时，发动机再次爆炸，莫索洛夫身受重伤，在空中就昏迷了过去。送医院急救过程中，医生两次发出病危通知，但他竟然活过来了，几个月后大体恢复了健康，不过试飞员是不能再做了。尽管如此，Ye-8 的性能相当不错，据说 Ye-8 本来有生产计划，但米格-23 的成功使这一计划搁置了。