Ещё при разработке МиГ-21 С была предусмотрена установка на нём нового, более мощного (тяга на максимальном режиме — 4070 кгс, на форсаже — 6490 кгс) двигателя Р-13-300, обладавшего к тому же увеличенным запасом газодинамической устойчивости и широким диапазоном режимов форсажа с плавным изменением тяги. Однако он появился, когда самолёт уже строился серийно. К этому моменту выяснилось, что размещение пушки в фюзеляже МиГ-21М является удачным решением, которое можно применить и на самолёте для советских ВВС. Эта идея плюс новый двигатель легли в основу нового варианта «двадцать первого», который получил обозначение МиГ-21СМ.

Кроме того, у нового самолёта существенно изменили состав оборудования и номенклатуру вооружения. Локатор РП-22 был сопряжен с прицелом АСП-ПФД, специально модернизированным для ведения ближнего воздушного боя, а в кабине появились зеркала заднего обзора. В состав БРЭО МиГ-21С входят: РЛС "Сапфир-21", оптический прицел АСП-ПФД, радиоприцел С-21, система предупреждения об облучении СПО-10, пилотажно-навигационный комплекс (ПНК) "Полет-ОИ" (включает систему автоматического управления СВУ-23ЕСН; систему ближней навигации и посадки РСБСН-5С и антенно-фидерную систему "Пион-Н"); помехозащищенная линия связи "Лазурь", обеспечивающая взаимодействие с наземной автоматизированной системой управления "Воздух-1"; катапультное кресло КМ-1. Радиосвязное оборудование - УКВ радиостанция РСИУ-5 (Р-802).

Кроме этого, в состав БРЭО входят: автопилот АП-155; автоматический радиокомпас АРК-10; радиовысотомер малых высот РВ-УМ (диапазон высот от 0 до 600 м); маркерный радиоприемник МРП-56П; курсовая система КСИ-2; самолетный ответчик СОД-57М; аппаратура госопознавания СРЗО-21; станция предупреждения об облучении "Сирена-3М"; аппаратура регистрации параметров полета САРПП.

Противопожарная система МиГ-21СМ обеспечивает тушение пожара в двигательном отсеке фюзеляжа. Она состоит из системы сигнализации о пожаре ИС-2МС, которая подает световой сигнал летчику, и системы пожаротушения, включающей огнетушитель и стальной коллектор-распылитель. Система кондиционирования воздуха служит для поддержания в кабине летчика оптимальной температуры и давления. Параметры воздуха в кабине регулируются автоматически посредством регулятора давления АРД-57В и терморегулятора ТРТВК-45М. Для питания лётчика кислородом на больших высотах и в случае разгерметизации кабины имеется комплект кислородного оборудования ККО-5 с кислородной маской КМ-32М. В полётах на больших высотах лётчик использует высотно-компенсирующий костюм ВКК-6 и гермошлем ГШ-6. Система аварийного покидания самолёта включает катапультное кресло КМ-1, обеспечивающее спасение летчика на скоростях свыше 130 км/ч во всем диапазоне высот полета. Система катапультирования сблокирована с пиросистемой аварийного сброса крышки фонаря кабины и срабатывает только после отстрела этой крышки.

Самолёт МиГ-21СМ оснащен встроенной двуствольной пушкой ГШ-23Л лафетного типа. Калибр пушки 23 мм, скорострельность - 3400 выстр./мин, начальная скорость снаряда - 700 м/с, боекомплект - 200 снарядов. На четырех узлах пусковых устройств типа АПУ-13 в различных сочетаниях могли подвешиваться ракеты Р-3С, Р-3Р, блоки УБ-16-57УМ или УБ-32, бомбы (их калибр был ограничен 100 кг) и зажигательные баки. Вместо ракет Р-3Р могут применять более старые РС-2УС на пусковых устройствах АПУ-7. Для ударов по земным объектам на крыльевые бомбодержатели типа БДЗ-58 крепятся блоки УБ-16-57У либо УБ-32 с неуправляемыми авиационными ракетами С-5К калибром 57 мм. Вместо блоков НАР на эти держатели можно подвесить 2-4 свободнопадающие бомбы калибром до 50, 100, 250 и 500 кг. Максимальная масса боевой нагрузки - 1300 кг.

Самолёт также может оснащаться аэрофотоаппаратом АФА-39. Кроме того, в состав его штатного оборудования входит ракета "воздух-земля" Х-66, но такое вооружение практически не используется. В связи с установкой ГШ-23Л изменили конфигурацию второго топливного бака, а под фюзеляжем допускалась подвеска бака объемом 800 литров, причем расстояние от него до земли осталось прежнее. В кабине сохранились зеркала бокового обзора, а на законцовках крыла - обтекатели антенн станции СПО-10, оповещавшей и предупреждавшей об облучении радарами других самолетов.

МиГ-21СМ стал одним из самых массовых вариантов «двадцать первого» в советских ВВС и заслужил репутацию одного из лучших в мире лёгких истребителей. В 1969 г он сменил МиГ-21С на стапелях завода №21, где выпускался под шифрами «изделие 95М» и «изделие 15» по 1974 г включительно. В НАТО эта модификация получила обозначение Fishbed-O.

В 1975 г на одном из серийных МиГ-21СМ установили крыло с модифицированным профилем, заменив скругленный носок передней кромки на острый. Испытания показали, что таким образом можно значительно улучшить отдельные характеристики самолёта, однако внедрять в серийное производство новое крыло по ряду причин не стали.

МиГ-21СМ выпускался только для ВВС СССР. Однако со временем все усовершенствования, предназначенные для советских истребителей, внедрялись и на самолётах, строившихся для дружественных стран. Так, экспортный вариант с двигателем Р-13-300 и РЛС РП-22 получил обозначение МиГ-21МФ (Ф — «форсированный») и шифр «изделие 96Ф». Максимальная масса его боевой нагрузки достигла 1300 кг. В состав вооружения вошли новые ракеты ближнего боя Р-60 и Р-60М. Самолёт оснастили автопилотом АП-155, системой предупреждения об облучении «Сирена-3М» и другим оборудованием, включая аппаратуру наведения «Лазурь». В кабине с самого начала выпуска устанавливали перископ. МиГ-21МФ строился на заводе №30 в Москве в 1970-1974 гг. и с 1975 г — в Горьком. Его вариант, производимый по лицензии на заводе HAL в Индии, получил местный шифр «тип 88».

Тактико-технические характеристики МиГ-21СМ
Размах крыла, м   7.15
Длина, м   14.90
Высота, м   4.71
Площадь крыла, м2   23.00
Масса, кг   
- пустого самолета   5250
- нормальная взлетная   8300
- максимальная взлетная   9400
- топлива   2200
Тип двигателя   1 ТРДФ Р-13-300
Тяга кгс   1 х 6490
Максимальная скорость , км/ч   
- на высоте   2230
- у земли   1300
Практическая дальность, км   
- с ПТБ   1420
- без ПТБ   1050
Максимальная скороподъемность, м/мин   12240
Практический потолок, м   18000
Макс. эксплуатационная перегрузка   8.5
Экипаж, чел   1
Вооружение:   встроенная 23-мм пушка ГШ-23Л (200 снарядов).
максимальная масса боевой нагрузки до 1300 кг на 4 узлах подвески:
до 4 УР К-13М, К-13, К-13Р, Р-60, Р-60М, а также НАР в блоках УБ-16 или УБ-32 свободнопадающие бомбы различных типов калибром до 100 кг , зажигательные баки