В 1953 года в ОКБ А.И. Микояна приступили к работам по созданию легкого фронтового истребителя-перехватчика, способного бороться как с высотными сверхзвуковыми бомбардировщиками, так и с тактическими истребителями противника. При создании самолета был широко использован опыт боевого применения истребительной авиации (в частности, самолетов МиГ-15) в Корее. Работы над машинами аналогичного назначения одновременно широко развернулись и за рубежом, в частности, в США в 1953 году приступили к разработке легких истребителей F-104 (для ВВС) атакжеР-8 и F-11 (для флота), в том же году французская фирма Норд Авиасьон начала проектирование самолета "Гриффон", а Дассо - истребителя "Мираж".
14 февраля 1955 года совершил первый полет опытный самолет ОКБ АИ. Микояна Е-2, имеющий стреловидное крыло с предкрылком. На летных испытаниях этот самолет достиг скорости 1920 км/ч.
16 июня 1956 года поднялся в воздух другой опытный истребитель, Е-4, оснащенный треугольным крылом. В ходе сравнительных испытаний нескольких прототипов самолетов со стреловидными (Е-2А, Е-50, Е-50А) и треугольными (Е-5, Е-6/1, Е-6/2 и Е-6/3) крыльями предпочтение было отдано последним.
Самолет Е-6, совершивший первый полет в 1958 году, было решено запустить в серийное производство под обозначением МиГ-21. Первоначально предполагалось организовать и серийный выпуск самолетов Е-2А со стреловидным крылом, получивших обозначение МиГ-23 (первый самолет с таким названием) на Горьковском (ныне - Нижегородском) авиационном заводе, однако вскоре от этих планов отказались, сосредоточив все усилия на постройке МиГ-21.
В 1958 году первый истребитель МиГ-21Ф (изделие 72) поднялся в воздух. Выпуск самолетов этой модификации осуществлялся в 1959-1960 годах на Горьковском авиазаводе. Самолеты были оснащены ТРДФ Р-11Ф-300 (1х3880/5740 кгс), оптическим прицелом АСП-СДН и радиодальномером СРД-5. В шести внутренних топливных баках размещалось 2160 л топлива. Вооружение состояло их двух пушек HP-30 (30 мм, боекомплект - 60 снарядов) и НАР в двух подкрыльевых блоках УБ-16-57У (каждый вмещал 16 НАР С-5М или С-5К калибром 57 мм). Для поражения наземных целей истребитель мог оснащаться двумя НАР АРС-240 (240 мм) или двумя бомбами калибром 50-500 кг. Максимальная эксплуатационная перегрузка равнялась 7. В 1959 году первые МиГ-21 поступили в Центр боевого применения и переучивания летного состава в Воронеже, где самолет за характерные очертания в плане получил прозвище "Балалайка"( - Админ).
В 1960 году начался выпуск более совершенной модификации, МиГ-21Ф-13 (изделие 74), вооружение которой было дополнено управляемыми ракетами с ТГС К-13, при создании которых были использованы американские трофейные УР AIM-9 "Сайдуиндер", переданные СССР китайским правительством (две ракеты размещались на подкрыльевых узлах подвески). Пушечное вооружение было уменьшено (сохранена лишь одна пушка с боекомплектом 30 снарядов). Самолет был оснащен усовершенствованным оптическим прицелом АСП-5НД и радиодальномером СРД-5М "Квант". Для ведения воздушной разведки истребитель мог комплектоваться фотоаппаратом АФА-39. Самолеты этой модификации серийно строились в 1960-1962 годах на Горьковском авиазаводе и в 1962-1965 годах на ММЗ "Знамя труда" (ныне - МАЛО им. Дементьева). МиГ-21Ф-13 широко поставлялся на экспорт.
В 1961 году был создан опытный самолет Е-66А, оснащенный ТРДФ Р-11Ф2-300 с увеличенной форсажной тягой (1х6120 кгс), а также вспомогательным ЖРД У-21 (1х3000 кгс), размещенном в контейнере под фюзеляжем, однако эта работа не получила дальнейшего развития, главным образом, из-за сложности эксплуатации ЖРД на боевом истребителе.
Самолеты МиГ-21Ф и МиГ-21Ф-13 были способны вести бой лишь в светлое время суток при хороших погодных условиях. Для достижения всепогодных характеристик требовалось оснащение истребителя бортовой РЛС, способной обнаруживать и сопровождать воздушные цели. Работы над такой машиной, получившей обозначение Е-7 (МиГ-21П), начались почти одновременно с разработкой 'яснопогодной' модификации истребителя. В 1958 году самолет МиГ-2Ш совершил первый полет. Помимо установки радиоприцела ЦД-ЗОТ (применялся, также, на самолете Су-9) и аппаратуры командного наведения "Лазурь", позволяющей самолету взаимодействовать с системой автоматизированного управления истребительной авиацией "Воздух-1", новый истребитель имел шасси с колесами увеличенного диаметра КТ-50/2 (800х200 мм). Самолет явился первой модификацией МиГ-21, оснащенной автопилотом КАП-1. Максимальная эксплуатационная перегрузка была увеличена до 7,8.
Серийный вариант МиГ-21П получил обозначение МиГ-21 ПФ (изделие 76). На нем был установлен ТРДФ Р-11Ф2-300, радиоприцел РП-21 'Сапфир' и коллиматорный прицел ПКИ-1. Самолет выпускался в 1962-1964 годах в Горьком и в 1964-1968 годах в Москве. На нем было установлено четыре мировых рекорда скорости для женщин.
Отличительной особенностью этой машины явилось отсутствие пушечного вооружения (временно возобладало "модное" мнение, что воздушный бой можно вести одними ракетами).
Модификация самолета с увеличенной емкостью топливных баков (за счет установки более вместительного накладного бака) и вооружением, дополненным УР Р-2Л с радионаведением, получила обозначение МиГ-21 ФЛ (изделие 77) и выпускалась в 1965-1968 гг. на ММЗ "Знамя труда", преимущественно для поставок на экспорт.
В 1966 году партия этих самолетов в разобранном виде была поставлена в Индию, где ее сборка осуществлялась на фирме "HAL".
Возрастание взлетной массы истребителя за счет применения более мощного вооружения и БРЭО, а также требования военных, которым нужны были самолеты, способные эксплуатироваться с грунтовых аэродромов, привели к установке на самолете МиГ-21 системы сдува пограничного слоя (СПС) с закрылка. Серийный истребитель с такой системой, МиГ-21ПФМ (Е-7СПС, изделие 94), совершил первый полет в 1964 году. Кроме улучшенных взлетно-посадочных характеристик, он имел киль увеличенной площади (5,32 м2), ТРДФ Р-11Ф2С-300, катапультное кресло обычного типа КМ-1, заменившее катапульту "СК", показавшую в ходе эксплуатации недостаточную надежность, топливные баки несколько меньшей емкости и узлы крепления стартовых пороховых ускорителей СПРД-99 (2х2500 кгс), обеспечивающих 'безаэродромный' взлет. На самолете был установлен усовершенствованный радиоприцел РП-21 М (способный действовать не только по воздушным целям, но и наводить по радиолокационному лучу ракеты класса воздух-земля Х-66), а также оптический прицел ПКИ (АСП-ПФ-21) и система радиолокационного опознавания 'Хром-никель'. Вооружение многоцелевого истребителя МиГ-21ПФМ включало две УР класса "воздух-воздух" с радиосистемой наведения РС-2УС (К-5), УР с ТГС К-13 или ракеты класса воздух-земля Х-66. Исходя из опыта боевого применения истребительной авиации во Вьетнаме, на самолет МиГ-21ПФМ было вновь установлено пушечное вооружение - в контейнере ГП-9 на подфюзеляжном узле подвески размещалась двухствольная пушка ГШ-23 (23 мм).
Средства РЭБ(радиоэлектронной борьбы) были усилены за счет установки более совершенной системы обнаружения радиолокационного облучения "Сирена-3М".
Истребитель МиГ-21ПФМ серийно выпускался в 1964-1965 годы в Горьком и в 1966-1968 годы в Москве, на заводе "Знамя труда".