К концу 1960-х гг. стало ясно, что на дальнейшее повышение боевой эффективности МиГ-21 можно надеяться лишь после оснащения его более мощной силовой установкой и более совершенным радаром. С другой стороны, в феврале 1971 г вышло постановление Совета Министров СССР о разработке самолётов по новым тактико-техническим требованиям ВВС, ориентированным на достижение высокой эффективности прежде всего на малых высотах и больших приборных скоростях. Постановление обязывало ОКБ-300 С.К.Туманского создать для МиГ-21 и Су-15 двигатель со взлетной тягой 7100 кгс и возможностью ее кратковременного (до 3 мин) увеличения до 9900 кгс при полете на «чрезвычайном режиме» (ЧР) у земли. На самом деле такой двигатель Р-25-300 был уже готов, документ лишь придавал разработке официальный статус. Так началась работа над МиГ-21бис - последней серийной модификацией.

Тем временем в ОКБ А.И. Микояна продолжали совершенствовать самолёт. После того, как выяснилось, что слишком «раздутый» накладной бак на МиГ-21СМТ неприемлем, конструкцию гаргрота вновь изменили, и объем внутренних баков уменьшили до 2880 л. Таким образом, после 15 лет поисков, ошибок и удач, было достигнуто оптимальное сочетание аэродинамики самолёта, объема его топливной системы и тяги двигателя. К этому добавилась более совершенная РЛС «Сапфир-21М» (С-21М или РП-22М), доработанный оптический прицел АСП-ПФД, позволивший снять ограничения при стрельбе из пушки при перегрузках, и новая система автоматизированного контроля состояния самолёта и двигателя, сократившая время технического обслуживания. На самолёте сохранились помехозащищенная линия связи "Лазурь", обеспечивающая взаимодействие с наземной автоматизированной системой управления "Воздух-1"; катапультное кресло КМ-1 или КМ-1М, приемник воздушного давления ПВД-18.

Количество ракет увеличили до шести, сохранив на внутренних узлах подвеску Р-3 и установив на внешних спаренные пусковые для Р-60. Предусматривалась возможность применения ракеты Р-55 с инфракрасной системой самонаведения и дальностью пуска до 10 км, но она так и не стала массовой, уступив место Р-60. Еще одним «козырем» самолёта МиГ-21бис - стала ракета Р-13М с увеличенной вдвое по сравнению с Р-3С дальностью пуска и возможностью поражения целей, маневрирующих с большими перегрузками.

В результате модернизации на самолёте МиГ-21бис используется следующее вооружение:
- Всеракурсные управляемые ракеты "воздух-воздух" ближнего маневренного боя Р-60М, Р-73Э
- Управляемые ракеты "воздух-воздух"
- Управляемые ракеты "воздух-воздух" RVV-AE
- Корректируемые авиабомбы с телевизионной головкой самонаведения КАБ-500КР
- Неуправляемые реактивные снаряды С-8
- Авиабомбы ФАБ-100; ФАБ-250;ФАБ-500.
- Неуправляемые реактивные снаряды С-5М; С-5К; С-24.
- Зажигательный бак ЗБ-500.
- Встроенная пушка ГШ-23Л или ГШ-301.

МиГ-21бис способен выполнять следующие задачи:
- перехват и одновременное сопровождение до 8 целей в свободном пространстве и на фоне земли;
- ведение эффективного воздушного боя на средних дистанциях с одновременной атакой 2-х наиболее опасных целей и поражение их ракетами с активной или тепловой головками самонаведения по принципу "пустил-забыл";
- ведение маневренного воздушного боя на ближних дистанциях с использованием различных режимов ближнего боя РЛС, а также нашлемной системы целеуказания с пуском высокоманевренных ракет ближнего боя с тепловыми головками самонаведения;
- выполнение штурмовых задач с использованием режима картографирование разной степени разрешения, возможностью целеуказания наземных или надводных целей и поражения их управляемыми ракетами "воздух-поверхность" или корректируемыми авиабомбами по принципу "пустил-забыл";
- поражение работающих наземных или корабельных РЛС управляемыми ракетами "воздух-РЛС", также работающих по принципу "пустил-забыл";
- ведение воздушного боя и поражение наземных целей с использованием неуправляемого оружия и пушки;
- перехват целей на дальних рубежах при подключении его ведомым в группу с ведущим МиГ-31 в режиме "Взаимодействие".

Все это позволило повысить боевую эффективность модернизированного самолёта в 8 раз при сохранении основных летно-технических характеристик.

Так появился МиГ-21бис — наиболее совершенный истребитель из всего огромного семейства «двадцать первых», выпускаемых в СССР. Предназначенные для авиации ПВО, эти самолёты комплектовались аппаратурой наведения «Лазурь-М», а для ВВС — системой слепой посадки «Полет-ОИ», допускавшей заход на посадку при облачности с нижней кромкой 100 м и видимости 1000 м. Внешне МиГ-21бис с системой «Полет-ОИ» отличались двумя небольшими антеннами, расположенными под воздухозаборником и на законцовке киля. Испытания МиГ-21бис прошли в том же 1971 г. С 1972 по 1974 гг самолёт выпускался в Горьком в трех основных вариантах — «изделие 75» (только для советских ВВС и ПВО), «изделие 75А» и «75Б» (для дружественных стран).

МиГ-21бис поступил на вооружение почти всех государств Варшавского договора, его закупили многие развивающиеся страны, а Индия выпускала по лицензии с 1980 по 1987 гг. Стоил МиГ-21бис значительно ниже, чем американский F-16, который к середине 1970-х гг вышел на мировой рынок, к тому же, на продажу последнего правительство США наложило значительные ограничения. Журнал Air International в декабрьском выпуске 1979 г отмечал, что МиГ-21бис является грозным самолётом, и хотя его «ахиллесовой пятой» всё ещё остается скромный радиус действия, он способен серьезно конкурировать с F-16 по таким параметрам, как величины вертикального и горизонтального ускорений, скорость и радиус разворота которые имеют решающее значение в ближнем воздушном бою.

Маневренный, хорошо вооруженный и дешёвый самолёт быстро завоевал мировую известность. Одной из первых закупила МиГ-21бис Финляндия, пилоты которой высоко оценили новый самолёт. Конечно по целому ряду характеристик МиГ-21бис серьезно уступал F-16, но это компенсировалось другими его достоинствами, и к началу 1980-х гг он стал основным истребителем ВВС многих стран мира. В НАТО МиГ-21бис, оборудованные аппаратурой «Лазурь-М», получили кодовое обозначение Fishbed-L, а с системой «Полет-ОИ» — Fishbed-N. Последняя машина в ГДР получила локальное обозначение МиГ-21бис-САУ, что означало МиГ-21бис с системой автоматического управления.

Один серийный МиГ-21бис (зав. № 75002198) в экспериментальном порядке был оборудован дополнительной противопомпажной системой в носовой части фюзеляжа. У передней кромки воздухозаборника фюзеляж получил небольшое утолщение, в котором располагались восемь створок перепуска воздуха. Новая система позволяла предотвращать помпаж практически при любых углах атаки и скольжения. Система выдержала все испытания, однако серийные истребители не дорабатывались.

Тактико-технические характеристики МиГ-21бис
Размах крыла, м   7.15
Длина, м   14.10
Высота, м   4.71
Площадь крыла, м2   23.00
Масса, кг   
- пустого самолета   5460
- нормальная взлетная   8726
- топлива   2390
Тип двигателя   1 ТРДФ Р-25-300
Тяга, кН   
- нефорсированная   1 х 69.60
- форсированная   1 х 97.10
Максимальная скорость , км/ч   
- на высоте   2175
- у земли   1300
Практическая дальность, км   
- с ПТБ   1470
- без ПТБ   1210
Максимальная скороподъемность, м/мин   13500
Практический потолок, м   17800
Макс. эксплуатационная перегрузка   8.5
Экипаж, чел   1
Вооружение:   встроенная пушка 23-мм ГШ-23Л (200 снарядов).
  максимальная масса боевой нагрузки до 1300 кг :
  до четырех УР К-13М, РС-2УС, Р-3С, Р-3Р, Р-60, Р-60М, а также НАР калибром 57 и 240 мм и свободнопадающие бомбы различных типов калибром до 500 кг .
  возможна подвеска контейнеров с пушками, АФА, средствами радиотехнической разведки.