1958 年 5 月，改型歼击机的第一架试验机 E-6-1开始工厂试飞，5 月 2 日由试飞员 V.A.聂菲多夫驾驶飞机从飞行研究院机场首次离地升空。这架飞机在进行第 7 次试飞时，在 18,000 米高空，发动机突然停车，飞机飞行高度急剧下降，聂菲多夫也几次试图启动发动机，但终未成功。飞机迫降时起火．试飞员因此而丧生。聂菲多夫作为研制和改进米格-21 丧生的第一位试飞员而载入史册。
1958 年 5 月，改型歼击机的第一架试验机 E-6-1开始工厂试飞
这次事故的原因很快就查清了，是由于迫降过程中液压系统失灵、电动操纵系统又未能启动而造成的。根据米高扬的副手别利亚科关（现任米高扬设计局局长）的建议，在第二架试验机 E-6-2 上，采用了复式液压系统，把电动系统拆掉。
第 2 架试验机 E-6-2 于 1958 年 9 月开始工厂试飞，9 月 15 日完成了首飞。K.K.科克基纳基取代了 V.A.聂菲多夫负责对飞机的试飞。试飞 15 次后，于 11 月飞机转场至克拉斯诺沃茨克继续试飞。按工厂试飞大纲，飞机共试飞 46 次，在这期间，更换了三台发动机。
12 月，第三架试验机 E-6-3，亦称米格-21F 也到达克拉斯诺沃茨克，用于武器系统的试验。E-6 机型共完成 61 次工厂试飞，可以确定米格-21F 的主要飞行性能，在 15,300 米高空飞机的最大平飞速度为 2,100 公里/小时（M=1.97）。
试飞总结报告指出，如果取消 M2.05 的速度限制，飞机的最大飞行速度还会更大。飞机从 M1.24 加速到 M1.97 所需时间为 160 秒，最大升限 20,700 米，开加力飞机以 505 秒钟可爬升到最大升限。发动机最大推力状态下的实用升限为 14,500 米，不带副油箱的航程为 1,800 公里。机上装两门 NR-30 机炮，各备 30 发炮弹，左右翼下还可挂 UB-16-57U 火箭发射器，装 S-5M（ARS-57M）空空火箭弹或 S-5K（KARS-57）空地火箭弹。翼下挂架也可挂更大型火箭弹 ARS-240 或两颗 50~500 千克炸弹或燃烧弹。
飞机装有 SK 应急弹射救生系统，飞行员弹离飞机后，座舱盖将保护飞行员免受迎面气流的伤害。E-6 飞机具有良好的稳定性和操纵性，根据试飞员科克基纳基的意见，部队的飞行员完全可以驾驶米格-21F 飞机。在国家验收委员会尚未作出投产决定之前，莫斯科“劳动旗帜”厂和高尔基城飞机制造厂就开始了飞机投产的各项准备工作。
第一批生产型米格-21F，工厂代号为 E-6T 或 72 号机，在 1959 年共生产了 30 架
第一批生产型米格-21F，工厂代号为 E-6T 或 72 号机，在 1959 年共生产了 30 架，1960 年高尔基城工厂生产了 69 架，此后随即停产，而改生产新改型机米格-21F-13 或称 74 号机。
米格-21F-13
米格-21F-13 翼下改挂两枚 K-13（R-3S）空空导弹，为此，机上的左侧机炮去掉。这种 K-13 导弹是 50 年代中期完全按美国“响尾蛇”导弹仿制的，并在米格-19 飞机的几种改型上试射成功，成为这些飞机的制式武器。
1959 年，几架 E-6T 试验机同时进行试飞，第二架试验机 E-6T-2 则着手研究翼尖带 K-13导弹的技术，为此机翼平面形状略有修改，从机翼中部到翼尖部分的前缘后掠角从 57º减小到 48º，翼尖还切去一段。装上导弹发射架 APU-13。这种至今仍采用的带弹方案，苏联从 1960 年 9 月到 1961
年 4 月，在 E-6T-2 上进行广泛研究，但设计师并未决定把这种翼尖带弹方案用于米格-21F-13 上。
1960 年，高尔基城工厂的米格-21F 的生产线改产米格-21F-13，当年就生产了 132 架，1961 年生产 272 架，1962 年生产 202 架。1960 年，莫斯科的“劳动旗帜”厂也开始生产米格-21F-13，但 1962 年，这种飞机在两家工厂就停产了，以便改产新的改型机。
苏联生产的米格-21F-13 部分卖给了波兰、捷克、东德和中国，而且对销往捷克和中国的作了一些更改。这种机型也出口到阿拉伯国家，并参加了 1967 年夏季的阿以战争。
歼-7 早期型
以色列缴获了这种飞机，然后作了全面摸底试验，以方试飞员对飞机的操纵特性作了高度评价，美国飞行员在试飞后也作了同样评价。
收藏在以色列空军博物馆的 MiG-21FL，此种型别是以色列继 MiG-21F-13 之后获得的型号
通常，在改进一架飞机的作战性能时，操纵特性全变坏，而米格-21 的设计师们始终注意改善飞机的操纵性。当米格-21F-13 投入成批生产后，就利用第三架试验机 E-6T-3，在其机头两侧装上全动鸭式平尾。但结果不甚理想，这种改型未能投产。不过在 E-6T 的基础上作了其他一些改进，形成了一些新的机型。
当米格-21F-13 投入成批生产后，就利用第三架试验机 E-6T-3，在其机头两侧装上全动鸭式平尾
E-6 一诞生就获得了国际航空联合会的正式命名——E-66，它由设计局试飞员 G.K.莫索洛夫驾驶，于 1959 年 10 月 31 日，在 15~25 公里的直线航线中创造了 2,358 公里/小时的世界速度纪录。另一架改型机 E-66A，座舱之后增加了辅助燃油箱，机身下加挂了火箭加速器，仍由莫索洛夫驾驶，于 1961 年 4 月 28 日创造了 34,714 米的世界飞行高度纪录。
从米格-21F-13 到米格-21P 截击改型
在批生产的米格-21F-13 的基础上，制成了几架满足不同用途的飞行试验平台。1963 年夏，两架 E-6B 试验机中的第一架开始试飞，这种飞机用于研究飞机以 16º-18º 迎角着陆的可能性，在使用中，飞机的着陆迎角一般限制在 10º-11º 以内。