На базе самолета МиГ-21 создано большое количество модификаций.

Е-6 — прототип самолета.

МиГ-21 Ф — серийный дневной фронтовой истребитель с пушечным вооружением. Самолет оснащен двигателем ТРДФ Р-11Ф-300. Вооружение состояло из двух пушек НР-30 калибра 30 мм, НАР калибра 57 мм в двух подкрыльевых блоках УБ-16-57У. Для борьбы с наземными целями применялись две НАР АРС-240 калибра 240 мм или две бомбы калибра 50–500 кг.

МиГ-21 Ф-13 — дневной истребитель. Оснащен следующим оборудованием: радиодальномером СРД-5М «Квант», коллиматорным прицелом АСП-5НД, автоматическим радиокомпасом АРК-10, радиостанцией Р-802В (РСИУ-5В), системой сигнализации об облучении РЛС «Сирена-2», системой средств спасения с защитным фонарем «СК» (дает возможность безопасно покидать самолет на минимальных высотах и скорости до 1100 км/ч). Вместо посадочной фары может монтироваться разведывательный фотоаппарат АФА-39. Вооружен одной пушкой НР-30 (30 снарядов), двумя блоками УБ-16-57У или УБ-32-57У с НАР С-5 (57 мм) или двумя НАР С-24, двумя бомбами калибра 50-500 кг. Может быть оснащен двумя УР Р-ЗС с ТГС (диапазон дальностей пуска 1–7 км). Состоял на вооружении ВВС СССР, а также поставлялся в страны Варшавского Договора, на Кубу, в Египет, Индию, Сирию и Финляндию. Серийно строился в Китае под обозначением J-7.

МиГ-21У — учебно-тренировочный самолет. Предназначен для начальной подготовки летного состава к применению боевых машин серии МиГ-21. Является двухместным вариантом истребителя МиГ-21 Ф-13. Первый полет самолета состоялся 17 октября 1960 г. На МиГ-21 установлен двигатель Р-11Ф-300 мощностью 56,3 кН/5740 кгс. Самолет вооружен крупнокалиберным пулеметом А-12,7.

МиГ-21П — предсерийный всепогодный истребитель. Установлен радиоприцел ЦД-ЗОТ, аппаратура командного наведения «Лазурь» и автопилот КАП-1. Имел шасси с колесами увеличенного размера.

МиГ-21ПФ — серийный всепогодный истребитель. Установлен двигатель ТРДФ Р-11Ф2-300, радиоприцел РП-21 «Сапфир», коллиматорный прицел ПКИ-1. Пушечное вооружение отсутствует.

МиГ-21УТИ — учебно-тренировочный истребитель.

МиГ-21ФЛ — модификация МиГ-21 ПФ с увеличенной емкостью топливных баков, предсерийный.

МиГ-21ПФМ — фронтовой многоцелевой истребитель для эксплуатации с грунтовых аэродромов. Развитие МиГ-21 ФЛ, серийный. Оснащен более мощным БРЭО и вооружением, а также системой сдува пограничного слоя (СПС) с закрылка. Установлен киль уве-личенной площади, модернизированный радиоприцел РП-21М, оптический прицел ПКИ, система радиолокационного опознавания «Хром-никель». Нес вооружение: двуствольную пушку ГШ-23 в контейнере ГП-9 на подфюзеляжном узле подвески; на подкрыльевых узлах могли крепиться четыре УР К-13 или Р-ЗС с ТГС, РС-2УС (К-5), а также УР Х-66 (класса «воздух-поверхность»).

МиГ-21Р — тактический разведчик Оснащен сменными контейнерами, расположенными на подфюзеляжном узле подвески с АФА, телевизионными и другими средствами ведения воздушной разведки. Устанавливалось вооружение: две УР К-13, блоки НАР УБ-16 и УБ-32, НАР С-24.

МиГ-21 С — фронтовой всепогодный истребитель Оборудован радиоприцелом РП-22С, коллиматорным прицелом АСП-ПФ, помехазащищенной линией связи «Лазурь-М», обеспечивающей взаимодействие с наземной автоматизированной системой управления «Воздух-1», и автопилотом АП-155 Нес вооружение: двуствольную пушку ГШ-23 в контейнере ГП-9 на подфюзеляжном узле подвески (позднее встроенная — ГШ-23Л); на подкрыльевых узлах могли подвешиваться четыре УР К-13 или Р-ЗС с ТГС, РС-2УС (К-5), а также УР Х-66 (класса «воздух-поверхность»)

МиГ-21 ПД — экспериментальный самолет для отработки укороченного взлета и посадки с комбинированной силовой установкой (маршевый ТРДФ Р-11Ф2-300 и два подъемных ТРД РД-36-35) и неубирающимся шасси.

МиГ-21 УС — учебный фронтовой истребитель. Оснащен двигателем ТРД Р-11Ф2С-300, автопилотом КАП-2 (1966 г.). Вооружен УР Р-3 с ТГС, НАР калибра 57 и 240 мм, свободнопадающими практическими и боевыми бомбами различных типов на двух подкрыльевых узлах внешней подвески.

МиГ-21 «Аналог» — экспериментальный самолет для испытания оживального крыла.

МиГ-21 СМ — фронтовой всепогодный истребитель Предназначен для уничтожения воздушных целей днем и ночью в простых и сложных метеоусловиях. Самолет может поражать наземные объекты в условиях визуальной видимости неуправляемыми авиационными ракетами калибра 57 и 240 мм, авиационными бомбардировочными средствами поражения массой до 500 кг, а также пушечным вооружением МиГ-21 СМ разработан в 1968 г. с существенно расширенными боевыми возможностями. Основные его отличия от предшествующих модификаций: в нижней части фюзеляжа на лафете размещена встроенная спаренная пушка ГШ-23Л с боезапасом 200 патронов; под крылом установлены 2 дополнительных пилона, на которых возможна подвеска до четырех управляемых ракет РС-2УС, Р-3С, Р-3С, Р-3Р, Р-55, Р-6О, Р-60М, а также НАР калибра 57 и 240 мм и свободнопадающих бомб различных типов массой до 500 кг (максимальная масса боевой нагрузки до 1300 кг); двигатель Р-11Ф2С-300 заменен на Р-13-300 с тягой 6490 кгс на форсаже. Истребитель оснащен радиоприцелом С-21 «Сапфир-21» и оптическим прицелом АСП-ПФД.

МиГ-21 М — экспортный вариант фронтового всепогодного истребителя МиГ-21 СМ. На нем установлен менее совершенный двигатель Р-11Ф2С-300, радиоприцел РП-21МА и оптический прицел АСП-ПФД. Оснащен встроенной пушкой калибра 23 мм. На внешних узлах подвески могли подвешиваться четыре УР РС-2УС (1970 г.).

МиГ-21 МФ — усовершенствованный вариант МиГ-21 СМ. Установлен двигатель Р-13-300. Мог нести до шести УР ближнего боя Р-60.

МиГ-21 МТ — фронтовой всепогодный истребитель. Значительно увеличена емкость накладного бака, за счет чего общий объем топлива во внутренних баках возрос до 3250 л.

МиГ-21 СМТ — фронтовой всепогодный истребитель с увеличенной до 2950 л емкостью внутренних топливных баков.

МиГ-21 УМ — учебный фронтовой истребитель с модернизированным БРЭО, двигатель Р-11Ф2С-300. Установлены катапультные кресла КМ-1М. Вооружен УР Р-3 с ТГС, НАР калибра 57 и 240 мм, свободнопадающими практическими и боевыми бомбами различных типов на двух подкрыльевых узлах внешней подвески. Возможна установка двух стартовых твердотопливных ускорителей СПРД-99 23,6 кН/2300 кгс.

МиГ-21 бис — фронтовой всепогодный истребитель. Предназначен для уничтожения воздушных целей днем и ночью, в простых и сложных метеоусловиях, а также для нанесения ударов по наземным объектам неуправляемыми средствами поражения в условиях визуальной видимости. Самолет МиГ-21 бис стал одной из последних серийных модификаций самолетов семейства МиГ-21.