Самолет довольно быстро прошел испытания. В акте по их результатам, утвержденном в ноябре 1959 года, отмечалось, в частности, что «самолет имеет хорошие пилотажные качества, устойчивую работу двигателя, простое управление и может эксплуатироваться с аэродромов второго класса. Для повышения боевых возможностей самолета МиГ-21 Ф на больших скоростях и высотах считать необходимым провести отработку на нем вооружения – двух ракет К-13 и одной пушки НР-30 и организовать в кратчайшие сроки выпуск МиГ-21 Ф с этим вооружением».

С 25 июня 1960-го по 20 апреля 1961 года в ГК НИИ ВВС на самолетах МиГ-21 Ф (№ 72210206 и № 72210207), оборудованных балочными держателями БДЗ-58-21, испытывали НАР АРС-212М или С-24, бомбы ОФАБ-100-120, ФАБ-250М-54, ФАБ-250М-58 и ФАБ-500М-54, а также зажигательные баки ЗБ-ЗбО. Ранее были испытаны НАР С-5М в блоках УБ-16-57М. Ведущими на этом этапе государственных испытаний были инженеры В.К. Ефимов и Н.В. Горохов, летчики М.Х. Халиев и В.В. Яцун.

Особенно трудными были испытания снарядов АРС-212М, поскольку из-за попадания в двигатель пороховых газов он выключался. Для борьбы с этим явлением на самолете установили клапан сброса давления топлива. Пока дорабатывали машины, от дальнейших испытаний АРС-212М отказались, сосредоточив усилия на С-24, вошедших впоследствии в состав вооружения истребителя.

В результате испытаний было определено, что максимальная приборная скорость МиГ-21 Ф с двумя С-24 и подвесным топливным баком (ПТБ) не должна была превышать 1000 км/ч до высоты 8500 м (без ПТБ – 1100 км/ч до 8300 м) и чисел М= 1,3 выше 8500 м (без ПТБ – М= 1,4). Практическая дальность полета на высоте 11000 м достигала 1090 км, ас ПТБ – 1300 км.