W tym samym czasie podjęto produkcję seryjną samolotu oznaczonego jako MiG-21F w zakładzie 21 w Gorki.

Wprowadzony do służby samolot był oceniany jako perspektywiczny – zastosowano w nim najnowsze technologie, miał wysokie osiągi i charakteryzował się dobrze ocenianymi właściwościami pilotażowymi. Odznaczał się wysokim stopniem zautomatyzowania układów pilotażowych, łączności, nawigacyjnych i uzbrojenia.

Samolot początkowo był przeznaczony do działań dziennych i przy dobrej pogodzie, nie posiadał też zbyt silnego uzbrojenia. Konstruktorzy bardzo szybko przystąpili do dokonywania zmian i opracowywania nowej wersji. Powstała wersja oznaczona jako MiG-21F-13 w której początkowo zmieniono uzbrojenie – zastosowano pociski rakietowe K-13 a uzbrojenie artyleryjskie ograniczono do jednego działka NR-30. Od 115. egzemplarza tej wersji zmieniono również obrys statecznika pionowego, zmieniono sposób zamykania kabiny oraz powiększono wewnętrzne zbiorniki paliwa od 200 litrów. Tak zmodyfikowana maszyna była produkowana również na licencji w Czechosłowacji w latach 1962–1966, od egzemplarzy z Gorkiego odróżniała je nieoszklona tylna część kabiny.