Станция "Сапфир-21" по сравнению с предшественницей имела существенные преимущества. Моноимпульсный метод пеленгации, логарифмический прием в совокупности с каналом компенсации боковых лепестков обеспечили ее высокую защищенность от активных и пассивных помех. Удалось значительно снизить высоту боевого применения и упростить летчику условия обнаружения и захвата целей.

При сохранении тех же углов сканирования, что и у ЦД-30 (РП-21) дальность обнаружения целей типа бомбардировщик возросла в полтора раза и достигла 30 км. Одновременно дальность сопровождения целей увеличилась с 10 до 15 км. Увеличение дальности и зоны обнаружения создало условия для повышения вероятности наведения самолета на цель и обеспечило возможность для ее атаки на ракурсах до 3/4 .

Если летчик самолета-перехватчика, оснащенного станцией ЦД-30, пустив ракету РС-2-УС, вынужден был сопровождать ее до попадания в цель, то РАС "Сапфир-21" лишь "подсвечивала" противника, предоставив ракете Р-ЗР (К-13Р) с полуактивной радиолокационной головкой самонаведения (ГСН) самой определять траекторию движения. Одновременно возросла точность стрельбы по наземным целям.

Новая РЛС обеспечивала в любых метеоусловиях поиск и обнаружение воздушных целей в передней полусфере, опознавание государственной принадлежности, выбор цели, захват и ее сопровождение, выведение самолета на кривую прицеливания, вычисление и индикацию зон возможных пусков ракет Р-3С и Р-3Р, опасных зон сближения и формирование команд "пуск разрешен" и "отворот". Кроме этого РЛС во взаимодействии с оптическим прицелом АСП-ПФ-21 позволяла вести прицельную стрельбу по воздушным и наземным целям из пушек и неуправляемыми авиационными ракетами (НАР). По большому счету РЛС "Сапфир-21" превратилась в систему радиоуправления вооружением.

Постановление правительства о создании новой системы вооружения было подписано весной 1962 года и на эту работу отводилось чуть больше трех лет. Одновременно МКБ "Вымпел" предписывалось разработать ракету К-13М класса "воздух-воздух" с тепловой ГСН и увеличенной дальностью стрельбы.

Конструктивно аппаратура РП-22С выполнена в виде контейнера, не выходившего за обводы планера истребителя.

Заводские летные испытания опытного самолета, получившего обозначение МиГ-21С (заводской No. 0725) начались в конце 1963 года. В следующем году к ним присоединились еще два самолета No. 95210101 и No. 95210102, причем на последнем из них в очередной раз увеличили площадь киля. Отработка как "Сапфира", так и управляемых ракет затянулась и завершилась, когда полыхал пожар войны во Вьетнаме. Возможно, это обстоятельство и стало главной причиной запуска перехватчика в серийное производство, не дожидаясь окончания его государственных испытаний.

В отличие от МиГ-21ПФ, на МиГ-21С, кроме РЛС "Сапфир-21", установили накладной топливный бак большей емкости, под крылом добавили еще два узла подвески вооружения, заимствовав их от МиГ-21Р. Теперь истребитель мог нести одновременно по две ракеты Р-3С и Р-3Р. Кроме этого, допускалась подвеска неуправляемых реактивных снарядов и бомб в различных комбинациях, в зависимости от поставленной задачи. На этих же узлах могли подвешиваться и два дополнительных топливных бака (не считая подфюзеляжного). Как и на МиГ-21ПФМ, под фюзеляжем располагалась гондола ГП-9 с двухствольной пушкой ГШ-23, предназначенной для ближнего маневренного боя и поражения наземных целей.

Хотя, по сравнению с предшественником, МиГ-21С заметно потяжелел, он по-прежнему оснащался двигателем Р11Ф2С-300. Правда, была предусмотрена замена ТРДФ более мощным Р13-300 с увеличенным в полтора раза запасом газодинамической устойчивости. Р13-300 отличался не только повышенной надежностью, но и простотой обслуживания, широким бесступенчатым диапазоном режимов "форсаж" с плавным изменением тяги. Номинальная тяга двигателя составляла 3400 кгс, а на первом форсажном режиме - 6600 кгс, удельный расход топлива на номинале - 0,91 кг/кгс, сухая масса - 1134,6 кг.

Обновилось не только пилотажно-навигационное, но и специальное оборудование. Например, 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. Катапультное кресло КМ-1 (СК-3) обеспечивало спасение летчика во всем диапазоне скоростей и высот, включая взлет и посадку. Усиленная передняя стойка и увеличенная база заделки штока амортизатора основных опор шасси, защита ряда узлов и соединений от загрязнения, а также внешняя герметизация люков фюзеляжа обеспечивали массовую эксплуатацию самолетов даже с малоподготовленных грунтовых аэродромов. Внедрение более совершенных средств наземного обслуживания самолета значительно сократило подготовку его к повторному вылету.

Летные испытания МиГ-21С начались в 1964 году, и в следующем же году Горьковский авиационный завод выпустил первые 25 серийных машин (тип "95").