МиГ-31М представляет собой глубокую модификацию исходного варианта; изменениям подвергся как внешний облик самолета, так и его «начинка», вооружение. МиГ-31М имеет корневые наплывы крыла большей площади, чем предыдущие варианты МиГ-31; гаргрот имеет большие размеры за счет увеличения на 300 л емкости размещенного в нем топливного бака; площадь остекления правой стороны фонаря кабины штурмана уменьшена для создания эффекта «темной кабины», облегчающего работу с индикаторами тактической обстановки, в то же время площадь остекления фонаря кабины летчика увеличена за счет установки монолитного козырька фонаря кабины; носовой обтекатель антенны РЛС наклонен вниз на 7 град по отношению к продольной оси самолета для улучшения обзора из кабины летчика вниз-вперед, сам обтекатель имеет больший диаметр; на нижней поверхности фюзеляжа имеются гнезда для размещения в полуутопленном положении не четырех (как на МиГ-31), а шести ракет воздух-воздух большого радиуса действия; пушка отсутствует; штанга топливоприемника перенесена на правый борт; двигатели разнесены на большее расстояние от продольной оси самолета; увеличена площадь рулей направления. На седьмом прототипе на концах крыльев устанавливались сигарообразные контейнеры с аппаратурой РЭБ, для увеличения путевой устойчивости в хвостовой части контейнеры имели вертикальные поверхности треугольной формы. Миг-31 м не имеет двойного управления, органы управления полетом самолета в кабине штурмана отсутствуют.

На МиГ-31 М установлена усовершенствованная РЛС «Заслон-М»; в состав приборного оборудования обоих кабин введены многофункциональные электронные индикаторы; органы управления самолетом в кабине штурмана не установлены, также как и перископ обзора передней полусферы; в состав системы управления оружием вместо убираемого теплопеленгатора интегрированы оптоэлектронная обзорно-прицельная система и лазерный дальномер (оптические головки И К системы и дальномера расположены перед козырьком кабины летчика), а ассортимент вооружения расширился за счет новых ракет воздух-воздух среднего радиуса действия РВВ-АЕ, малого радиуса Р-73, модернизированного варианта УР Р-33 - ракеты Р-33С и новой ракеты сверхбольшой дальности Р-37. Увеличение взлетной массы перехватчика в какой-то мере компенсируется установкой более мощных двигателей Д-30Ф6М.

Все МиГ-31M построены на заводе в Нижнем Новгороде, первый построенный самолет предназначался для статических испытаний, второй - бортовой номер «051» - 21 декабря 1985 г. впервые поднял в воздух экипаж в составе летчика-испытателя Бориса Орлова и штурмана-испытателя Леонида Попова. Всего было изготовлено семь прототипов - бортовые номера «051» - «057»; борт «052» разбился в ходе испытаний, летчик-испытатель ОКБ Владимир Горбунов успешно катапультировался. Государственные испытания модернизированного перехватчика завершились в апреле 1994 г. успешным поражением учебной воздушной цели на удалении 300 км. Поздравления с окончанием госисиытаний МиГ-31М и успешным поражением ракеты-мишени коллективу ОКБ направил президент России Б.Н.Ельцин. В испытаниях были задействованы самолеты с бортовыми номерами «053», «054», «053», «055», «056», «057».

Премьера МиГ-31М (бортовой номер «057») состоялась в марте 1992 г., когда на аэродроме Мачулище, недалеко от Минска, состоялась демонстрация новейшей авиационной технике руководителям стран СНГ, (кстати, на показ прибыли только Ельцин, Назарбаев и Муталибов, что определенным образом характеризует интерес глав государств к авиации). На показ были допущены журналисты, благодаря которым существование МиГ-31М перестало быть секретом, а его фотографии появились на страницах отечественной и зарубежной прессы.

Серийное производство МиГ-31М развернуть не удалось из-за отсутствия ассигнований, однако главком ВВС России генерал-полковник Корнуков не исключает возможности модернизации до уровня МиГ-31М ранее построенных перехватчиков.