Конструкторы максимально использовали все резервы: так, внутренние полости основных стоек шасси служили емкостями для сжатого воздуха. На самолете был установлен оригинальный под-фюзеляжный киль, складывающийся при посадке (впервые такая конструкция появилась на опытном Е-8, в дальнейшем она была заимствована китайцами при создании J-8-II). Конструкция планера выполнена с широким использованием стальных сплавов. Из них, в частности, был сварен основной силовой элемент самолета – центральная секция фюзеляжа, используемая как интегральный топливный бак. Кабина с низкой посадкой летчика закрывалась относительно небольшим фонарем, что обеспечивало снижение аэродинамического сопротивления. Такое остекление давало пилоту неплохой обзор вперед, однако ограничивало обзор вбок и назад, что частично компенсировалось установкой перископа. Вооружение, включающее ракеты К-23 и К-13, размещалось на двух подкрыльевых и двух под-фюзеляжных узлах подвески.

В экипаж первого опытного «23-11/1» вошли: шеф-пилот фирмы А. В. Федотов, ведущий инженер В. А. Микоян и авиатехник В. И. Скотников. Первый раз самолет поднялся в небо 9 июля 1967 г. – эту дату можно считать днем рождения МиГ-23. Уже в ходе второго полета Федотов изменял стреловидность крыла во всем диапазоне углов и, как вспоминал летчик-испытатель ОКБ Б. А. Орлов, остался вполне доволен поведением машины – балансировка самолета менялась незначительно, гораздо меньше, чем ожидалось. Эта оценка подтверждается и записью в бортовом журнале, сделанной Федотовым: «Полет при стреловидности от 16 до 72 град. Это впервые. Великолепно!».

Вскоре к первому самолету присоединились машины «23-11/2» (ведущий инженер Ю. Н. Федулов) и «23-11/3» (ведущий инженер А. Н. Сошин). На последнем самолете впервые установили РЛС «Сапфир-23». Работа по испытанию сложного и капризного радиолокационного комплекса велась с большим напряжением, в три смены.