Конструкторы, сохранив двигатель Р11Ф2С-300 и доработав радиолокационный прицел в вариант РП-21МА, значительно расширили состав вооружения истребителя. Прежде всего, в нижней части фюзеляжа разместили пушку ГШ-23Л с боезапасом 200 патронов, для чего пришлось пожертвовать одним топливным баком. При этом конструкцию фюзеляжа в районе шпангоутов No. 11 - 16 пришлось изменить и усилить, используя новые узлы в качестве лафета орудия. Изменили расположение турбохолодильника системы кондиционирования кабины пилота.

В пространстве между обшивкой фюзеляжа и каналом воздухозаборника проложили тракт питания пушки патронами и отвода и сбора их звеньев. Перед обрезом стволов пушки фюзеляж обшили жаропрочным листом.

Для компенсации снизившейся дальности полета заменили накладной бак более объемным, таким же, как на МиГ-21 С. Заимствовали и крыло с четырьмя узлами подвески. Кроме УР Р-ЗС в состав арсенала истребителя ввели, ранее запрещенные к поставкам за рубеж, ракеты РС-2-УС. Коллиматорный прицел ПКИ-1 заменили на АСП-ПФ-21, отработанный на опытном Е-7М.

Номенклатура боевой нагрузки и количество ее вариантов значительно возросли. Кроме управляемых ракет могли применяться неуправляемые авиационные ракеты С-57 в блоках УБ-16 и УБ-32, а также С-24, авиабомбы калибра от 100 (до четырех на многозамковом бомбодержателе МБД-2-67) до 500 кг (на держателях БДЗ-60-21Д). Для фотоконтроля стрельбы предусмотрели прибор СШ-45-1-100-ОС, фиксировавший изображение на отражающем стекле прицела АСП-ПФ-21. Как и на МиГ-21 М одновременное применение пушки и других видов вооружения было невозможно.

Дополнительное увеличение дальности достигалось подвеской трех 500-литровых или двух 500- и одного 800-литрового сбрасываемых баков, при этом на свободных узлах допускалось размещение как ракет, так и бомб.

Существенно доработали систему управления машины. Кроме автопилота АП-155 и новых рулевых агрегатов установили "ломающуюся" ручку управления в канале тангажа. Вообще-то ручка не ломалась, но внутри ее смонтировали четыре концевых микровыключателя, предназначенных для коммутации параметров работы автопилота. Эти микровыключатели срабатывали при положении ручки у упоров, улучшая управляемость самолетом. Естественно были и другие изменения, направленные на повышение эксплуатационной и боевой эффективности самолета.

Заводские летные испытания МиГ-21М начались в 1968 году и в этом же году завод No. 30 построил первые девять машин, а в следующем - Болгария, ГДР, Египет, Польша, Сирия, Румыния, ЧССР и Югославия получили 195 самолетов. Из них больше всего пришлось на долю Египта - 61 истребитель.