Второй Е-6 решили строить путем переделки серийного Е-5. Причем, учитывая причины катастрофы, в гидросистему самолета включили аварийный насос, а электрический канал управления упразднили. Е-6/2 (бортовой номер «22» красный) поступил на заводские испытания 26 августа 1958 г Их проводил К.К. Коккинаки. Ведущим инженером по испытаниям был А.С. Изотов. Первый вылет с аэродрома ЛИИ состоялся 15 сентября, и до 5 ноября самолет совершил 15 полетов. Затем, в соответствии с приказом председателя ГКАТ, Е-6/2 перебазировали в г. Красноводск на военный аэродром «Армяк», где летные испытания продолжились. Там к Коккинаки присоединился Седов. Всего в рамках этой программы на Е-6/2 было выполнено 46 полетов. Интересно, что для этого потребовалось заменить 3 двигателя P-11Ф-300 (заводские серийные №№ 510, 514 и 519), причем двигатель № 514 полностью выработал свой ресурс.
В декабре в Красноводск прибыл третий опытный самолет – Е-6/3 (борт «23» красный). Для обеспечения устойчивости воздушного потока в воздухозаборнике на нем были установлены противопомпажные створки. Всего за время заводских испытаний на всех трех опытных самолетах был выполнен 61 полет, в которых удалось определить основные ЛТХ истребителя. Максимальная скорость на высо- и те 15300 м составила 2100 км/ч (М-1,97). Разгон со скорости, соответствующей числу М=1,24, до максимальной занял 160 с, причем конец разгона выполнялся с небольшим набором высоты. Максимальную высоту полета 20700 м при скорости, соответствующей числу М-1,84, на форсаже машина набирала за 8 мин 25 с. Как и в случае с Е-5, единственной серьезной претензией была недостаточная дальность полета. Чтобы приблизить ее к заданной, машину оборудовали подкрыльевыми баками общей емкостью 350 л. По отзыву Коккинаки, пилотирование Е-6 не представляло сложности для летчиков, освоивших МиГ-17 и МиГ-19. Свое заключение он закончил словами: «На основании выполненных полетов считаю, что МиГ-21Ф вполне доступен летчикам строевых частей».
В 1959 г. Е-6/2 и Е-6/3 прошли совместные Государственные испытания в ГК НИИ ВВС. Их провели фирменные летчики-испытатели А.В. Федотов и К.К. Коккинаки, а от ГК НИИ ВВС – М. Твелев, С. Петров, В. Андреев и др. В заключительном Акте по результатам ГСИ отмечалось, что самолет имеет в целом удовлетворительные характеристики. Как дефект, подлежащий устранению, военные отметили недостаточную путевую устойчивость истребителя, выражающуюся в тенденции к уводу самолета в сторону от намеченной траектории полета. Проблему решили путем горизонтального смещения форсажной камеры и сопла двигателя на 1,5 мм от оси. Первый полет Федотова на самолете после такой доработки прошел отлично. «Шел, как вкопанный», – сказал пилот после посадки. Чтобы окончательно убедиться в правильности принятого решения, сняли «ножи» с киля. Федотов снова проверил самолет в воздухе, и путевая устойчивость испытываемой машины снова не вызвала нареканий. Два вылета выполнили военные летчики и также остались довольны поведением истребителя. Таким образом, основные замечания были устранены, и МиГ-21Ф рекомендовали к серийному производству. Оно началось в 1959 г. на заводах № 21 в Горьком и № 31 в
