Создание машин семейства "Е" стало возможным с появлением турбореактивного двигателя АМ-11, позже получившего название Р11-300. Конструкторскому бюро ОКБ-155 первоначально предписывалось построить два прототипа фронтового истребителя с двигателем АМ-11 и треугольным крылом. Однако из-за того, что опыта в постройке самолетов с треугольным крылом в ОКБ еще не было, а стреловидные крылья были более отработаны в аэродинамических трубах и в натурных условиях, МАП было принято решение построить самолет в двух вариантах: со стреловидным и с треугольным крылом для сравнительной оценки их при летных испытаниях. Кроме того, из-за возникших технических трудностей в доводке двигателя АМ-11, чтобы не задерживать отработку первых опытных самолетов, на них временно установили двигатель АМ-9.

Первый полет истребителя со стреловидным крылом Е-2 состоялся в феврале 1955 года, а через четыре месяца в воздух поднялся экспериментальный самолет Е-4 с треугольным крылом и двигателем РД-9И. На самолете проверялась аэродинамика треугольного крыла на различных режимах полета, определялась минимальная скорость полета и штопорные характеристики, проверялись методы изменения обтекания крыла аэродинамическими гребнями.

Первый вылет самолета Е-5 (МиГ-21) - фронтового истребителя с треугольным крылом и двигателем АМ-11, вооруженного тремя пушками НР-30 - состоялся в январе 1956 года. Внешне самолет отличался тремя аэродинамическими гребнями на крыле, укороченной носовой частью и стабилизатором, расположенным выше оси фюзеляжа. После установки на самолет двигателя Р-11-300 с расширенной форкамерой, МиГ-21 успешно прошел заводские испытания и был выпущен малой серией.

По своим летным характеристикам самолет МиГ-21 несколько уступал истребителю Су-7, но в июле 1958 года было принято решение о постройке варианта МиГ-21Ф (Е-6) с форсажным двигателем Р-11Ф-300 тягой 5740кг, который значительно улучшил показатели самолета. Самолет был вооружен двумя пушками НР-30, на крыльях установлены держатели для внешней подвески. На крыле осталась только одна аэродинамическая перегородка, что несколько улучшило характеристики крыла и упростило технологию его производства. Заменили хвостовую часть фюзеляжа, опустив горизонтальное цельноповоротное оперение и уменьшив его площадь. Во входном устройстве с острыми кромками установили управляемый двухскачковый конус.

Первый полет Е-6 состоялся 20 мая 1968 года, однако уже 28 мая самолет разбился в катастрофе. Испытания продолжили на второй машине. На третьем прототипе установили противопомпажные и взлетные створки на фюзеляже, дополнительные топливные баки в крыле и фюзеляже за кабиной летчика, увеличили площадь киля и подфюзеляжного гребня. Двигатели были оснащены регулируемыми створками реактивного сопла и системой кислородной подпитки. В состав вооружения входил прицел АСП-5Н, совмещенный с радиодальномером СРД-1М и инфракрасный визир СИВ-52. В экипировку летчика входили высотно-компенсирующий костюм ВКК-ЗМ с гермошлемом ГШ-4М. После успешного завершения в декабре 1959 года государственных испытаний, самолет МиГ-21Ф был запущен в серию.

В августе 1958 года Микоян получил задание на разработку на базе истребителя МиГ-21Ф перехватчика МиГ-21ПФ (Е-7) оснащенного радиолокационной станцией ЦД-30 (РП-21) и вооруженного двумя ракетами класса "воздух-воздух". Радиоуправляемые ракеты РС-2-УС предназначались для борьбы с бомбардировщиками. Ракеты наводились на цель по равносигнальной зоне излучения РЛС, пилот перехватчика должен был сопровождать цель в течении всего времени полета ракеты.

Установка радара в центральном конусе воздухозаборника привела к увеличению диаметра входного отверстия и увеличению длины фюзеляжа. Приемник воздушного давления расположили над воздухозаборником по оси симметрии самолета. Для снижения веса перехватчика с него сняли пушки, а вместо оптического прицела АСП-5НД, вычисляющего упреждение при стрельбе из пушек, установили простой коллиматорный.

На испытания опытный самолет Е-7 вышел осенью 1958 года. В ходе испытаний для повышения путевой устойчивости увеличили площадь хвостового оперения, за счет дополнительного бака в гаргроте вырос запас топлива, было усилено шасси.

В конце 1959 года в СССР была создана самонаводящаяся ракета К-13 (Р-3С) - копия американской ракеты Sidewinder. Было решено сделать эту ракету основным оружием истребителя МиГ-21Ф. Модификация под управляемые ракеты К-13 получила обозначение МиГ-21Ф-13 (Е-6Т). Ракеты размещались на пусковых установках, подвешенных на доработанных балочных держателях. Из стрелкового вооружения оставили одну пушку. На самолете установили новую систему катапультирования "СК", которая позволяла покидать самолет с минимальной высоты и до скорости 1100км/ч. При катапультировании летчик защищался от потока воздуха фонарем кабины, который вместе с креслом образовывал своеобразную "капсулу". На вооружение самолет МиГ-21Ф-13 начал поступать в 1961 году.

Под эту же ракету доработали и перехватчик МиГ-21ПФ. Фактически первые сериные самолеты этой модификации могли нести только две ракеты Р-3С, но они не обеспечивали всепогодного применения, поэтому пришлось вернуться к ракетам РС-2-УС. Позже, когда война во Вьетнаме выявила острую необходимость в пушечном вооружении, для МиГ-21ПФ разработали подвесную гондолу ГП-9 с двуствольной 23-мм пушкой ГШ-23Л.

Одним из недостатков самолета МиГ-21 была высокая посадочная скорость, возросшая до 290км/ч на модификации МиГ-21ПФ. В результате не только увеличивалась длина пробега, но и усложнялось пилотирование при заходе на посадку. В 1959 году были начаты испытания системы сдува пограничного слоя с закрылков воздухом, отбираемым от компрессора двигателя. Успешные испытания этой системы позволили применить ее на серийных самолетах, получивших обозначение МиГ-21ПФС. Применение сдува пограничного слоя позволило уменьшить посадочную скорость до 240км/ч, что в сочетании с тормозным парашютом увеличенной площади, контейнер которого перенесли в основание киля, сократило длину пробега до 480м. Предусматривалась установка на самолет стартовых ускорителей.

Еще одним серьезным нововведением было внедрение катапультного кресла СК-3 (КМ-1) и фонаря с неподвижным козырьком и открытием створки на правую сторону. Кресло обеспечивало спасение летчика с нулевой отметки высоты при скоростях от 130км/ч на разбеге и до 1200км/ч в горизонтальном полете.

Дальнейшим развитием самолета стала модификация МиГ-21ПФМ (Е-7М), истребитель-перехватчик с модернизированным оборудованием. В комплексе с РЛС РП-21, выдающей сигнал дальности, новый малогабаритный прицел АСП-ПФ дал возможность в дневных условиях вести как визуальную прицельную стрельбу ракетами и неуправляемыми реактивными снарядами, так и выполнять любой вид бомбометания. Инфракрасный визир "Самоцвет" предназначался для обнаружения целей и прицеливания при стрельбе в ночное время в простых метеоусловиях вне зависимости от высоты полета. Приборное оборудование кабины было полностью перекомпоновано. На МиГ-21ПФМ установлена встроенная пушка ГШ-23Л. На подкрыльевых узлах подвески могут подвешиваться четыре УР К-13 или Р-3С или РС-2УС (К-5), а также УР Х-66 (класса "воздух-поверхность"). Предусмотрена подвеска контейнера с двуствольной пушкой ГШ-23.

На базе самолета МиГ-21ПФМ был создан фронтовой разведчик МиГ-21Р, оборудованный съемным унифицированным контейнером с аппаратурой фото- и радиотехнической разведки. Самолет мог вести дневную и ночную фотографическую и радиотехническую разведку с малых и средних высот. За кабиной в увеличенном гаргроте был установлен дополнительный топливный бак. Под крылом можно было подвесить еще два топливных бака. Вооружение МиГ-21Р состояло из двух ракет ближнего боя Р-3С или блоков с неуправляемыми ракетами. Для уничтожения наземных целей могли подвешиваться НУР типа С-24 или две бомбы.

Самолет МиГ-21Р стал первым в СССР разведчиком с электронными средствами разведки.

Еще одним вариантом использования выработавших свой ресурс самолетов МиГ-21ПФ стала переделка их в маневренный радиоуправляемый самолет-мишень М-21. Полноразмерный имитатор воздушных целей М-21 являлся наиболее популярным самолетом-мишенью. Внешне он практически не отличался от базовой машины. По мере израсходования МиГ-21ПФ, базовым самолетами для переоборудования в мишени М-21М с 1973 года стали истребители МиГ-21ПФМ. Самолеты-мишени могли применяться как с грунтовых, так и с бетонных ВПП.

В 1963 году прошел испытания перехватчик МиГ-21С с РЛС "Сапфир-21" и ракетами К-13Р (Р-3Р) с радиолокационными головками самонаведения. Новая РЛС обеспечивала в любых метеоусловиях обнаружение воздушных целей на дальности до 30км, захват на дальности 10-15км, вычисление и индикацию зон возможных пусков ракет Р-3С и Р-3Р. Если пилот перехватчика оснащенного станцией ЦД-30 должен был сопровождать ракету до ее попадания в цель, то РЛС "Сапфир-21" только подсвечивала цель, а наведение ракеты Р-3Р с полуактивной ГСН выполнялось автоматически. Совместная работа радара с оптическим прицелом АСП-ПФ-21 позволяла вести прицельную стрельбу по воздушным и наземным целям из пушек и неуправляемыми авиационными ракетами.

Для размещения оборудования топливный бак, расположенный в закабинном отсеке, пришлось снять и установить новый накладной бак увеличенной емкости. Под фюзеляжем мог подвешиваться контейнер с пушкой ГШ-23 или дополнительный топливный бак на 500л. Еще два бака могли подвешиваться под крылом. Вместо кренового автопилота поставили АП-155, позволявший не только сохранять положение машины относительно трех осей, но и приводить ее к горизонтальному полету из любого положения с последующей стабилизацией высоты и курса. Станция СПО-10 предупреждала об облучении самолета радиолокатором противника, а зеркала в кабине улучшили обзор задней полусферы.

В 1967 году начались летные испытания варианта МиГ-21СМ с двухвальным двигателем Р13-300 и встроенной двухствольной пушкой ГШ-23Л. На внутренних подвесках допускалось крепление многозамковых балочных держателей для бомб калибра 100кг и блоков УБ-32 для неуправляемых ракет С-5. Под фюзеляжем подвешивался бак емкостью 800л. По сравнению с самолетами предыдущих модификаций МиГ-21СМ имел лучшие разгонные характеристики и скороподъемность.

Одним из недостатков самолета МиГ-21 оставалась малая дальность и продолжительность полета. Поэтому в 1971 году была разработана модификация МиГ-21СМТ с большим накладным баком на 600л, который находился между кабиной пилота и килем. Для компенсации возросшего веса установили двигатель Р13Ф-300 с чрезвычайным режимом. Но маневренность потяжелевшего истребителя заметно ухудшилаь и он был выпущен только небольшой серией.

Опыт эксплуатации МиГ-21Ф за рубежом позволил выявить как положительные, так и негативные стороны машины. Пилоты, отмечая высокую маневренность истребителя и легкость его управления, сетовали на слабость вооружения, на отсутствие встроенных пушек и примитивный прицел. Поэтому была начата разработка многоцелевого истребителя МиГ-21М. На этом самолете сохранили двигатель Р-11Ф-300, но установили радиолокационный прицел РП-21М, значительно расширили состав вооружения истребителя. В нижней части фюзеляжа разместили пушку ГШ-23Л, для чего пришлось снять один топливный бак. Перед обрезом стволов пушки фюзеляж обшили жаропрочным листом. Для компенсации снизившейся дальности полета заменили накладной бак более объемным, по типу МиГ-21С. Установили крыло с четырьмя точками подвески. Самолет мог нести до трех дополнительных топливных баков. Существенно доработали систему управления машины. Заводские летные испытания МиГ-21М начались в 1968 году.

Вариант МиГ-21МФ представлял собой модификацию истребителя МиГ-21М с двигателем Р-13Ф-300 тягой 6490кг и увеличенным запасом топлива.

К 1972 году был создан новый двигатель Р-25-300 тягой 7100кг. Вариант истребителя-перехватчика с этим двигателем получил обозначение МиГ-21бис. По сравнению с предыдущими модификациями МиГ-21 самолет МиГ-21бис имеет лучшие маневренные и разгонные характеристики, большую скороподъемность. Маневренность самолета приближается к характеристикам зарубежных истребителей четвертого поколения (F-15, F-16, Mirage 2000). На МиГ-21бис модернизировано крыло, применены дополнительные топливные баки, новый двигатель, усовершенствовано бортовое оборудование, значительно увеличена номенклатура бортового вооружения. В состав вооружения включена ракета Р-55 с инфракрасной системой самонаведения и дальностью пуска до 10км. Позже самолет вооружили ракетами ближнего боя Р-60М.

Зарубежные специалисты сих пор проявляют интерес к самолету-солдату XX века, а его резервы до сих пор не исчерпаны. Истребитель МиГ-21 стал одним из самых распространенных в мире. Всего в СССР и по лицензии в других странах было построено около 11,500 самолетов этого типа в различных модификациях. В начале 1995 года их еще насчитывалось около 7500 экземпляров в 38 странах. Это обстоятельство послужило поводом для ряда предложений по модернизации самолета, в том числе и по продлению ресурса планера. Первой в этом направлении стала Индия, где МиГ-21бис выпускается по лицензии.

На обновленной машине МиГ-21-93 (модификация 1993 года) устанавливается многофункциональная РЛС "Копье" со щелевой антенной, двухствольная пушка ГШ-23, разнообразное ракетное и бомбовое вооружение. Самолет получил новый фонарь кабины с улучшенным обзором. Если МиГ-21бис был и раньше опасным противником, то теперь его боевой потенциал еще больше возрос, а сам самолет стал в один ряд с истребителями четвертого поколения. Он способен вести всеракурсный воздушный бой с применением различного оружия на ближней и средней дальности, поражать наземные и морские цели, вести воздушнцю разведку. Первый полет МиГ-21-93 состоялся в 1994 году. В Индии самолет получил название Bison.