E-150 的表现远远高于同时代的其它战斗机。它持续水平飞行的最大高度为 23,250 米。两分半钟能爬升到 15,000 米，四分半钟能达到 20,000 米。工厂的测试报告中有一张该机与当时大批量生产的米格-21F 战术战斗机的性能对比表。它说道 E-150 的爬升速度是米格-21F 的两倍。在 2.65 马赫的最高速度下飞机在爬升到 22,500 米的高度记录。在这个报告中，试飞员菲多托夫不断称赞 E-150 的加速度和爬升率惊人——这些对截击机来说显然是非常重要的特性。
E-152 及其改型
但在此时，发动机不断地产生大量问题，发动机因可靠性不足显然不能投入生产。因此当 E-150 细节设计阶段一完成，米高扬设计局就开始了另外两个型号 E-152 和 E-152A 的设计。从外观上看，这两种型号非常相似，只是在机身的尾部构造、机翼设计和武器装备位置上有所不同。
与 E-150 一样，E-152 也装单台 R-15-300 涡轮发动机。但是米高扬的设计师对这个计划很敏感，这是个理智的做法。为了保险，E-152A 有个备用发展计划：安装两台推力达 38.05 千牛图曼斯基 R-11F-300 涡喷发动机（全加力为 56.3 千牛）。这种发动机当时已经达到了相当可靠的水平，并在米格-21F 和雅克-28“阴谋家”轻型轰炸/战术侦察机上得以应用。E-152A 将两台该型发动机并排放置，加宽机尾的宽度并应用了面积律。
E-152 的机翼从上往下看呈切尖三角形。机翼面积从 E-150 的 34.62 平方米增加到 40.02 平方米，机翼前缘的后掠度减至 53°。E-152A 则将机翼面积减至 34.02 平方米。垂直尾翼也被重新设计，垂直尾翼前缘更加笔直，E-152A 还有一对腹鳍。单发型则只有一个腹鳍，而相应的，双发型垂直尾翼也被放大。其机身有 6 个油箱和 4 个机翼油箱携带燃料。燃料总容量为 4,950 升。机身中间可另挂一个 1,500 升的副油箱。
E-152A，比 E-152-1/2 早亮相数个月，注意它和 E-150 不同的进气道、头锥和空速管的位置
从这个角度可以清楚地看见 E-152A 后机身确实应用了面积率
两种机型前机身都是一样的，但与原始的 E-150 有所区别，主要不同在于机头锥外形。为了适应这种改装，机头进气道进行了一定修改。空速管进一步加长，和米格-21F 一样重新安装在机头下方，使得机头锥的外形更加简洁。
两种新飞机都可以挂载两枚 K-9 空对空导弹，所不同的是，E-152 在翼尖挂装，而 E-152A 的挂架则在翼下。除此之外，它们更大的区别在于 E-152 仍旧装备老式的“飓风”5B 雷达，而 E-152A 则装备更好的“TsP”雷达。
在朱可夫斯基工厂测试期间的 E-152A，可以清楚地看见它挂载的 K-9 导弹。1961 年，在图什诺航展上的出现后，北约称该机为“鳍”
很快，2 架 E-152 和 1 架 E-152A 在米高扬工厂制造完毕。人们充满好奇地等待它们，尤其是后者进行首飞。1959 年 7 月 10 日，米高扬首席试飞员乔吉·K·莫索洛夫驾驶 E-152A 飞上天空。
在 1960 年 11 月 23 日全部试飞结束前，莫索洛夫和菲德托夫进行了数轮全面测试。飞机在 13,700 米和 20,000 米高度上，E-152A 最高时速分别能达到 2,135 公里和 2,500 公里，实用升限 19,800 米，爬升到 10,000 米和 20,000 米分别需要 1.48 分钟和 7.64 分钟，挂载两枚 K-9 导弹最大实用重量为 13,600 公斤，如果加一个 600 升的副油箱便增加到 14,000 公斤。弧形舱盖也被修改成为类似米格-21F-13 的平面前风挡，有效减少了视觉失真，（由于工艺限制，曲面舱盖由于介质厚度不均造成目标折射变形，甚至远距离目标在某些特定点会在视野内消失，平面风挡的平整度相对要好很多。而如同 F-16 那样采用新工艺制造的高精度整体舱盖才能有效避免这个问题。）这是一个 E-152 晚期型上的重要特点。
试飞中的 E-152A，双发双腹鳍结构与歼-8 何其相似
起飞中的老八
1961 年 E-152A 参加了在莫斯科举行的图什莫航展后，可能是因为宽大的机身后背，很快被在北约报告中称为“鳍”。西方国家几乎不知道这是纯粹的实验机，许多西方观察员因为它与米格-21 相像便认为是米格-23，直至后来才发现米格-23 是另一种完全不同的飞机。后来，E-152 被米高扬设计局作为武器系统测试平台，最终于 1965 年坠毁，试飞员克拉弗索夫丧生。
E-152A 三面图，刘明制作
1961 年 3 月 16 号，第一架单发 E-152 抵达拉明斯克，它被命名为 E-152-1。8 月 21 日它在莫索洛夫的操纵下第一次试飞。到 1962 年 9 月 11 日，E-152-1 战斗机已经生产了 67 架，其中有 5 架安装模拟的 K-9 空对空导弹。带上导弹后飞机的最高速度为 16,200 米，时速 2,650 公里，最大实用起飞重量 14,730 公斤。E-152-1 在条件允许时 4 分 44 秒能达到 15,000 米，挂两枚导弹后需要 5 分 55 秒，同样的情况达到 22,000 米分别需要 6 分 40 秒和 8 分 50 秒。而如果有必要，飞机最高能升至 22,680 米。
1961~62 年间，E-152-1 毋庸质疑地打破了 3 项世界纪录。其中包括环行、绝对速度和水平持续飞行高度
E-152-1 的尾喷口前也有冷却空气进口
1961 年 10 月 7 日 E-152-1 创下了一个世界纪录：以 2,401 公里的平均时速飞完 100 公里的环形航线。1962 年 7 月，莫索洛夫驾驶着同样的飞机，以 2,681 公里的时速飞了 15 圈 25 公里的航程刷新了一个绝对世界记录。尽管这一机型给人留下了深刻的印象，但飞机却一直被发动机问题困扰着。4 次发动机缺陷改进都是在原型测试项目阶段中进行的，但是试制的 5 台 R-15-300 涡喷发动机中没有一台能令人满意。