По сравнению с МиГ-21Ф-13 доработали в основном носовую часть фюзеляжа по 18-й шпангоут, разместив там двухместную кабину курсанта и инструктора. Установили также новые основные тормозные колеса КТ-92 с дисковыми тормозами большей энергоемкости и увеличенного до 800 мм диаметра. Центральное тело ВЗУ имело три рабочих положения: первое - убранное, предназначенное для полета со скоростями до чисел М< 1,5; остальные - промежуточное и выдвинутое - были рассчитаны на числа М= 1,5 и 1,9. В состав вооружения входили две ракеты К-13, пулемет А-12,7 с боекомплектом 60 патронов, размещавшийся в подвесной гондоле, и прицел АСП-5НД, сопряженный с радиодальномером "Квант". Вместо ракет К-13 допускалась подвеска любого варианта вооружения самолета МиГ-21Ф-13. Катапультные кресла остались прежними - "СК", но без защиты пилотов фонарем, поскольку подвижные его части стали открываться вбок.

Первый прототип Е-6У/1, построенный в 1961 году, облетал летчик-испытатель ОКБ П. Остапенко. В феврале этого же года машину No. 61 передали в 8-й ГНИКИ ВВС (такую аббревиатуру получил ГК НИИ ВВС после объединения с 6-м ГосНИИ ВВС), а с 28 марта начались ее государственные испытания. В состав испытательной бригады входили ведущий инженер В.П. Юдин, летчики-испытатели B.C. Серегин и Н.И. Дивуев. Спустя месяц испытания прервали, отправив самолет на доработку из-за недостаточного запаса продольной устойчивости.

В июле в ГНИКИ ВВС поступил самолет Е-6У/2 No. 62. На нем для увеличения запаса продольной устойчивости по перегрузке в центральном теле ВЗУ (на шпангоуте No. 2) установили центровочный груз весом 40 кг. Запас топлива увеличили на 210 л, доведя его до 2340 л. Дополнительно установили ответчик СОД-57, автомат коррекции автопилота КАП-2 по высоте и скорости и ряд других более мелких, но необходимых для функционирования машины устройств. В хвостовой части между шпангоутами No. 30 и No. 32 располагалась ниша тормозного парашюта ПТ-21. Допускалась установка двух стартовых твердотопливных ускорителей СПРД-99 тягой по 2300 кгс.

Испытания прошли довольно быстро, и в августе 1961 года главком ВВС утвердил акт с их результатами. В выводах этого документа отмечалось, что по устойчивости, управляемости и маневренности учебно-тренировочный истребитель практически не отличался от МиГ-21Ф и МиГ-21ПФ и имел тот же основной недостаток: большие усилия на педалях при полете со скоростью, соответствующей числу М свыше 1,4, затруднявшие пилотирование. При взлете с использованием максимального режима работы двигателя после отрыва и уборки шасси наблюдалась тенденция к увеличению угла атаки, легко парировавшаяся отклонением ручки управления самолетом от себя, но при взлете с форсажем этого не отмечалось.

Размещение центровочного груза на машине No. 62 увеличило запас продольной устойчивости, но привело к изменению путевой балансировки по скорости. Этот дефект в сочетании с большими усилиями на педалях делал невозможным полет "спарки" во всем диапазоне скоростей без скольжения, т.е. самолет летел боком. Одновременно ухудшились разгонные характеристики машины и увеличился расход горючего.

Несмотря на то, что в ходе государственных испытаний было выполнено два полета с грунтовой ВПП (твердая почва без дерна), самолет все же предписывалось эксплуатировать с бетонных ВПП аэродромов второго класса (длина ВПП не ниже 2000 м).

Специалисты ГНИКИ ВВС рекомендовали также установить на самолете новое катапультное кресло СК-3, трехканальный автопилот КАП-3 и систему сдува пограничного слоя с закрылков после ее отработки на МиГ-21Ф и МиГ-21ПФ.

С 17 февраля по 15 июня 1962 года на УТИ МиГ-21Ф (No. 62) прошла государственные испытания доработанная (по результатам предварительных испытаний) подвесная гондола с пулеметом А-12,7, в серии получившая обозначение ГП-А-12,7. Ведущими по машине были инженер Б.П. Сегодняев, летчики А.А. Манучаров и ГА. Горовой. В итоге гондола рекомендовалась для учебных стрельб по наземным и воздушным целям. Впоследствии самолет с этим пулеметом пытались приспособить для борьбы с дрейфующими аэростатами. В связи с этим было прекращено создание специального самолета на базе Ан-2, предназначавшегося для аналогичных целей.

К серийному выпуску МиГ-21У (изделие 66) приступили в 1962 году на заводе No. 31 в Тбилиси. Начиная с седьмого самолета шестой серии изменили конструкцию закрылков под систему сдува пограничного слоя. Но эту систему так и не задействовали, так как на машине стояли старые двигатели Р11Ф-300. С машины No. 08665106 тормозной парашют ПТ-21 перенесли из-под фюзеляжа в отсек, расположенный в основании киля.

В 1968 году один из серийных МиГ-21У переоборудовали в соответствии с требованиями ВВС для киносъемки ручной камерой АКС-2 из кабины инструктора. В задней кабине, в частности, демонтировали приборную доску и электрический щиток и на их месте установили контейнер для АКС-2 и запасной кассеты с пленкой. Сняли ручку управления самолета, а вместо педалей появились подножки (упоры) для оператора.