通过两年多时间的对米格-21 飞机所进行的大量“技术摸透”工作，共“消化”了苏联提供我国的技术资料共 48,000 标准页（含设计图纸、强度报告和试验任务书），基本上搞清了米格-21 飞机的设计原理、技术关键以及所需的原材料和配套成品件。通过“技术摸透”工作的计算和试验，补充和校核了苏联原设计技术资料，同时也学习和掌握了原机的设计方法，基本掌握了两倍音速歼击机的设计、生产和试验的关键技术，解决了相关的新技术、新材料和新工艺，使我国的航空工业跨上了新台阶，不但为米格-21 的试制做好了技术准备，也为以后自行设计性能更好的歼-8 飞机进行了技术储备和积累了经验。
1962 年 4 月至 9 月之间，按中苏协定规定由苏联提供的 15 架份米格-21Ф-13 飞机散装组合件陆续地运到沈阳飞机制造厂，这些散装件包括了米格-21 飞机第 16 至 22 批次的部件。工厂在检点后发现由于散装组件的包装箱没有包装好，不少木箱在运输过程中渗进去了雨水，致使很多散装件不同程度地受到腐蚀。沈阳飞机制造厂针对这一情况立即采取了一些防腐补救措施，同时加快了装配散装件的生产准备进度。在首架份散装件到厂后不久，周恩来总理于 1962 年 6 月在沈阳飞机制造厂召开沈阳地区航空工业企业领导干部座谈会，着重研究了新机试制的问题。15 架份苏制散装件全部到齐后，总参谋长罗瑞卿于 1962 年 11 月 23 日正式批准沈阳飞机制造厂开始米格-21 飞机的组装工作，并将其列入航空工业 1963 年的重点工作计划。到 1963 年底，米格-21 的“技术摸透”也已经完成，1964 年 2 月在沈阳飞机制造厂正式开始用散装件（第 16 批 07 架机）装配整机，同时还从其他飞机工厂增调了一些人员到沈阳飞机制造厂帮助组装。到了 3 月底，第一架用苏制散装件装配的米格-21Ф-13 型飞机的总装完成并转入试飞前的地面试验。由于当时工厂试飞大队的飞行员均没有米格-21 飞机的驾驶经验，因此决定由当时装备了米格-21 的空军第十一航空学校派飞行员葛文墉来进行试飞。当时沈阳飞机制造厂所在的机场由于正在翻修跑道而无法试验，因此飞机的试飞改在了距离不远的空军鞍山机场进行。同年 4 月 30 日，葛文墉驾驶该机在鞍山机场首飞成功。到 1964 年 9 月末，首批 10 架用苏制散装件装配的米格-21 飞机交付部队使用，之后剩余的 5 架份散装件也于 1965 年 2 月总装完成并交付。通过这 15 架份苏制散装件的总装、试验和试飞，沈阳飞机制造厂进一步熟悉了米格-21 飞机的结构特点，为下一步正式试制该机做好了准备。
组装的米格-21 飞机装备了当时空军的王牌部队空三师，很快就开始担负作战任务。空三师是中国空军组建最早的航空兵师之一，在朝鲜战争中曾取得过辉煌的战绩，归国后在国土防空作战中又屡立战功，因此也是空军装备最好的部队，每次从苏联引进新型歼击机一般都首先装备该师使用，此前在 1962 年 11 月就已经装备了米格-21Ф-13 型飞机。1964 年 8 月的“北部湾事件”后，美军开始对北越进行轰炸，并派遣“火蜂”高空无人驾驶侦察机侵入中国领空进行刺探侦察。由于这种高空无人侦察机的飞行高度最大为 20,000 米，一般也在 18,000 米左右。大大高于当时空军装备的歼-6 等歼击机的实用升限，因此中国空军虽多次出动飞机拦截都未能将其击落。而米格-21 飞机无外挂导弹时的实用升限可以达到 19,800 米，具备了打击高空无人侦察机的较为有利的条件。当时空三师派出了多个配备米格-21 飞机的作战小分队，分别进驻江西向塘、广东兴宁、广西南宁、云南昆明和云南蒙自等敌机可能人侵的地区，执行对付美军无人侦察机的分点作战任务。1964 年 12 月 15 日，空三师的米格-21 首次用于拦截高空无人机，在 17,700 米高度上向无人机发射了两枚 К-13 型空空导弹，但导弹在敌机的前方爆炸未能击落目标。在一年多时间里空三师的米格-21 飞机共对无人机作战 19 架次，发射了 7 枚空空导弹但没有取得战果，暴露了这种飞机的一些缺陷。尽管米格-21 装备了当时算是很先进的空空导弹，但由于米格-21 与无人机之间的速度差过大，对付无人机这种低速目标难以占到理想的导弹发射位置。而且无人机的机体积很小，发动机推力也小，红外辐射强度较弱，因此导弹不易捕获到目标。另外 К-13 导弹主要是用来攻击轰炸机等大型目标的要求设计的，导弹引信有 10~14 毫秒的延迟起爆时间，以便能够超越发动机喷口这一强红外辐射源而击中轰炸机机身前部的要害部位，而对于无人机的机体比轰炸机小得多，这样长的延迟起爆时间将使导弹超越目标而在前方爆炸，因此很难击中目标，这些原因都导致了空三师几次发射空空导弹均没有能够取得战果。
之后部队分析了这些作战失利的原因，决定不使用空空导弹，而改用火箭弹和机炮，并在较近距离上进行快速瞄准射击，同时对飞机起飞后的出航、转弯、跃升接敌的过程也进行了改进。在改进了拦截战术之后，空三师终于在 1966 年 1 月 3 日由飞行员鲁祥考在云南马关地区上空 18,300 米高度上驾驶米格-21 用航空火箭弹首次击落了一架无人机。随后空三师接连取得了多次战果，1966 年 2 月 7 日，大队长冯全民在云南蒙自地区上空 18,300 米高度用机炮击落无人机一架。1967 年 6 月 12 日，飞行员刘光才在广西田阳地区上空击落无人机一架。1968 年 1 月 21 日，飞行员韩永武、周永成在云南蒙自地区上空击落无人机一架。1968 年 3月 7 日，飞行员江文兴、王志耀在云南蒙自地区上空击落无人机一架。1968 年 3 月 16 日，飞行员张恩华、王志信在云南蒙自地区上空击落无人机一架。空三师的米格-21 飞机一共击落了六架美军的无人驾驶高空侦察机，空三师也成为击落这种飞机最多的航空兵师。