在摸透和组装散装件的过程中，沈阳飞机设计研究所（当时称为国防部六院一所）和沈阳飞机制造厂的技术人员多次到空军第十一航空学校和空三师进行调查，征求部队对米格-21 飞机的使用意见。由于当时引进的这批米格-21 的批次较早，后续批次苏联方面进行了不少更改，因此试制时确定以散装件里批次最新的 2210 号飞机作原准机来进行仿制，并按该机更改的部位进行测绘设计。另外由于当时国内加工工艺水平较低，米格-21 所用到的不少新结构、新材料和新工艺还处于试验摸索阶段，不能马上运用到飞机试制上，因此飞机的部分结构和材料相对于苏联原设计进行了少量的更改和代用，以适应国内的实际情况。沈阳飞机设计研究所先后对图纸进行了了四次更改，全机共有设计图纸 48,211 标准页。
在飞机的全套设计图纸和技术文件经过完善后，1964 年 3 月，沈阳飞机制造厂在国防部六院下属各研究所的协同下按照飞机试制总方案，全面铺开了试制工作。与此前仿制歼-5 和歼-6 飞机的情况不同，试制工作是在没有苏联专家指导的情况下进行的，试制过程中所出现的技术问题都需要自己解决。工厂自编工艺规程 18,176 份，比原计划提前三个月绘制完成全机模线 473.2 平方米，制造样板 29360 块。用六个月时间完成全机标准样件的制造任务，并于 1964 年 11 月一次对合成功，这都为试制做好了前期工艺准备。在工艺装备等生产准备基本就绪之后，沈阳飞机制造厂首批投料四架份开始原型机的试制。而此时第三机械工业部也将仿制的米格-21 正式命名为歼击七型飞机，简称歼-7。其中 0001 号原型机用于静力试验，另外三架飞机供试飞。
1964 年 11 月 20 日，歼-7 飞机正式开始试制零件。歼-7 较此前仿制的歼-5 和歼-6 飞机的结构要更为复杂，全机共有 22,035 项零件。沈阳飞机制造厂组织技术人员与工人在试制中先后解决了钛合金零件成型、整体壁板化学铣切、整体机头罩加工、整体密封油箱装配、非金属蜂窝锥体制造等 186 项新结构、新材料和工艺技术关键。1965 年 7 月，全机的零件制造基本完成，开始进行部件装配。到 9 月部件装配完成转入总装，1965 年 10 月 14 日，完成了第一架飞机 0001 号原型机的总装工作，随后就开始结构静力强度试验。整个静力强度试验历时三个月，到 1966 年 1 月 9 日共试验了 34 个部件、197 种情况。其中 11 月 23 日的全机静力试验中飞机加载到设计载荷的 112% 而未发生总体破坏，试验结果全部达到了设计要求。但强度比苏制米格-21 增大了 7%，显得结构略有点过强，这就会使飞机的结构重量有所增加，飞行性能也就相应会有一些降低。
在沈阳飞机制造厂试制米格-21 机体的同时，沈阳发动机制造厂（410 厂）也按照苏联的图纸和技术资料开始了 Р-11Ф-300 发动机的仿制工作，当时仿制的发动机代号为 815 机。仿制工作从 1963 年开始，沈阳发动机设计研究所（606 所）也对该发动机的设计特点和技术关键进行了“技术摸底”。与发动机配套的各航空工厂、研究所以及中国科学院、冶金、化工等部门所属的有关单位密切协作，于 1965 年 9 月完成了各项技术攻关，其中通过试验研制成功 26 种新合金、涂层等新材料，掌握了 46 项新技术和新工艺。发动机试制工作于 1965 年初在沈阳发动机制造厂全面铺开，1965 年 10 月第一台发动机装配完成，其后改发动机经过一年多的工艺性长期试车，所有性能均符合要求，并于 1966 年 12 月通过了国家鉴定。仿制的 Р-11Ф-300 被正式命名为涡喷七型发动机，简称涡喷-7，开始小批量生产。涡喷-7 发动机全部采用国产材料，标志着中国航空发动机制造技术和材料工业都有了很大地提高。
歼-7 飞机全机所需的 396 项机载设备和 3,283 项原材料，当时在全国 12 个部门、23 个科研院校以及第三机械工业部内的 166 个工厂的协作下，绝大部分实现了正常供应，保证了飞机仿制的顺利进行。第二架原型机 0002 号机则于 1965 年 11 月 28 日总装完毕开始试飞准备，1966 年 1 月 17 日，0002 号机也是在葛文墉的驾驶下首飞成功。到 4 月 13 日，先后共飞行了 29 个起落、总计 15 小时 23 分钟，完成了试飞大纲规定的 12 个飞行科目，飞机的安定性、操纵性良好，各系统工作正常。带空空导弹时的最大速度达到 M2.02，升限达到了 19,400 米，主要战术技术性能达到了设计要求。1966 年 12 月 28 日，经航空军工产品定型委员会鉴定：“112 厂试制的歼-7 飞机的主要战术技术性能符合原设计要求，批生产的条件基本具备，可以提供空、海军航空兵训练和作战使用，建议生产定型并转入批生产。”整个歼-7 飞机的试制周期为两年零四个月，比原计划提前一年零两个月完成试制任务。两倍音速的歼-7 飞机是在苏联技术资料不完整、没有苏联专家帮助的情况下，完全依靠自己的力量试制成功的，这对于当时从三年出不来优质飞机的混乱局面里刚刚恢复过来的中国航空工业来说是一个不小的成绩，标志着中国航空制造技术提高到了一个新的水平。
