1962年，米格-25侦察型全尺寸样机审定委员会召开会议，审定了设计方案。

1963年12月，米格-25侦察型的第一架原型机E-155R-1出厂。

1964年3月6日，第一架米格-25侦察型原型机E-155R-1升空首飞。同年9月9日，第二架米格-25截击型原型机E-155P-1开始试飞。随后第三架米格-25侦察型原型机E-155R-3也参加试飞。上述三架米格-25原型机各装两台R-15B-300发动机。

1965年至1977年间，米格-25原型机以E-266代号在历次试飞中创造了8项飞行速度、9项飞行高度和6项爬升时间的世界纪录。

1967年7月，在莫斯科土希诺机场举行的苏联航空节检阅中，4架米格-25预生产型首次作公开飞行表演。

1968年，米格-25的教练型（代号：米格-25U）开始试飞。为简化设计，该教练机的教练员舱设在原驾驶舱之前，为便于布置教练员座舱，设计修改了米格-25的前机身，取消了飞机头部雷达和武器装备。

1969年至1970年，米格-25R侦察型飞机和米格-25P截击型飞机先后通过苏联国家验收并正式投产。

1971年，改型侦察机米格-25RB试飞并投产。

1972年5月和12月，米格-25RB侦察型和米格-25P截击型战斗机分批交付苏联空军部队使用。

1976年11月至1978年，在别连科驾驶米格-25叛逃日本的事件发生后，米高扬设计局为应对泄密情况，对米格-25做了改进，完成米格-25PD改进型的设计、制造、试飞并投产。在随后两年中对苏军部队服役的全部米格-25P截击型飞机按米格-25PD型进行了改装。

1975年至1977年，米格-25M（代号：E-266M）专用于打破记录的试验机，飞机改装了推力更大的P-31Ф涡轮喷气发动机，机体结构也作了加强。苏联试飞员费多托夫于1977年8月31日驾驶E-266M试验机创造了37650米的绝对飞行高度记录。

1984年，米格-25飞机停产，各型米格-25飞机总计生产了1190架。

米格-25战斗机的气动布局与以前的米格飞机传统风格有较大差别，采用中等后掠上单翼、两侧进气、双发、双垂尾布局，是该设计局与苏联中央空气流体动力学研究院共同的研究成果。

该机机翼的后掠角为42°，下反角5°，相对厚度4%，展弦比3.5，翼面积61.9平方米。翼面积满足在20000米高空作巡航飞行的要求，而小展弦比和中等后掠角则为了保证机翼的刚度。原型机的机翼原来无下反，试飞后发现机翼有严重上反效应，遂改用5°下反角。由于布局方案的尾臂很短，为保证航向稳定性采用双垂尾和尾部腹鳍。经过试飞多次修改后，加大了垂尾面积，减小了腹鳍，克服了原尾腹鳍过大对着陆的不利影响。

飞机采用矩形二元进气道，用水平调节斜板进行调节，是米格式飞机首次采用两侧进气布局，但尚未解决在土质跑道上起降时外物进入的问题。

米格-25战斗机在一次试飞的高速飞行中偏转副翼时因机翼严重扭转而出现副翼反效，飞机坠毁，试飞员丧生。查明原因后规定在高速下不用副翼，改用差动平尾进行操纵。但因全动平尾的转轴位置安排不当，在个别飞行状态下助力器的功率不足，再次机毁人亡。研制方经分析后将平尾转轴向前缘移动了140毫米。

米格-25战斗机研制中面临机体结构耐热考验，其最大速度下机体表面驻点温度高达300℃以上，而铝合金只能承受140℃，必须选用新材料和新工艺。米高扬设计局选用了不锈钢和焊接工艺来制造机体的主要结构。米格系列的第一种超音速战斗机米格-19在零摄氏度的空气中以马赫1.3飞行时，机首与气流摩擦产生的温度达到72摄氏度，而米格-21战斗机在以马赫2.05飞行时机首温度上升到107摄氏度。米高扬设计局选用了塑性好、不易开裂、便于补焊的不锈钢和焊接工艺来制造米格-25的机体主要结构（占机体结构重量的80%），其余11%为高温铝合金和8%的钛合金。除机翼采用焊接的整体油箱外，机身的焊接整体油箱结构占其容积的70%，机体上的焊缝长达4000米，焊点多达140万个。整体油箱结构使飞机的总贮油量高达14.5吨。侦察型还采用垂尾油箱，使油量增加574千克。

米格-25战斗机的动力装置，是以低增压比试验型涡喷发动机15K为基础，由米库林/图曼斯基设计局按米格-25的设计要求进行改进，改型设计的工作量很大，研制方为增大喘振裕度修改了压气机；为适应飞机高空飞行的工作状态重新设计了燃烧室；发动机的涡轮前温度提高了50℃；消除了加力燃烧室的燃烧振动；采用了三种工作状态的可调喷口。改型发动机实际上只保留了原来的机匣，新发动机编号为R-15-300。

米格-25战斗机批量生产型发动机R-15B-300型，是采用5级压气机和1级涡轮的加力涡喷发动机，增压比为7，最大推力86.24千牛，加力推力109.76千牛。发动机原采用液压机械推力调节系统，但试验机E-150、E-152试飞中发现，在飞机急剧爬升时该系统不能保证充分供油。于是通过1963年至1964年在图-16LL发动机试飞台上试飞之后，研制方改用RRD-15B综合多功能电调系统，自动监测6个参数，提高了发动机的反应速度和可靠性。飞机燃油系统中的主要执行机构也由液压助力器改为电磁阀。

米格-25战斗机的主要武器是专门为其配套研发的R-40远距空对空导弹，该导弹由马图斯·比斯诺瓦特领导的第4试验设计局于1962年2月开始研制，于1969年研制成功并投入批量生产，1970年开始装备米格-25P战斗机。

R-40空空导弹为苏联第二代远程空对空导弹，其体积硕大，是当时世界上最大的空对空导弹之一，整体气动布局与之前的R-8/98十分类似，但其重量达500千克，弹体长达5.8米（改进型更是长达6.3米）；该弹采用鸭式布局，四对气动面呈X-X形布置，主气动面面积大，从导弹中部靠前的位置开始一直延伸到导弹尾部，翼展达到了1.45米，这样的气动布局加上细长的弹体外型，为其提供了良好的高速方向稳定性，从而使得R-40成为了一枚适宜进行高速拦射的中距空空导弹，但囿于巨大的体积，R-40在攻击高机动性目标时效能较差。

R-40导弹有两种不同的制导模式，通过在地面更换导引头的方式实施切换，其中，半主动雷达制导的型号被称作R-40R，该弹采用中继指令遥控制导和末端半主动雷达寻的制导相结合的复合制导模式，使米格-25可以在雷达获取目标方位之后即发射导弹进行攻击，在导弹飞行过程中利用雷达对目标方位变化的监测对导弹实施遥控制导，并在制导的同时继续对目标实施迫近，待到飞机与目标距离进入弹载半主动雷达寻的装置作用范围内时再实施烧穿制导，从而使得导弹的有效射程成功突破了弹载半主动雷达寻的装置作用距离的限制，使得米格-25拥有了真正意义上的超视距拦射能力。在米格-25P战斗机的时代，由于雷达性能的限制，R-40R的有效射击距离只有40千米左右；而在米格-25PD战斗机服役以后，R-40R在更换了导引头之后，其有效射程几乎翻了一倍，达到了75千米，其作战效能有了很大的提高。

R-40导弹的被动红外末制导型号被称作R-40T，其与R-40R一样采用了无线电指令的中继制导模式，由于20世纪60年代红外制导技术的限制，R-40T的红外制导装置只能导引该导弹对目标红外特征较为明显的尾部发起有效打击，只有在打击如SR-71侦察机的气动加热十分明显的高速目标时，R-40T才能进行有效的迎头拦射。同时，由于红外制导装置的作用范围有限，使得R-40T的射程只有R-40R的一半左右（基本型射程20千米，改进型50千米）。

米格-25P战斗机的机载雷达系统，是“旋风”A的大型火控雷达与苏联同期装备另外两种截击机使用相同的核心处理设备，但由于各自头部空间的不同而使用了不同的天线，其中米格-25P使用的是天线孔径最大的型号，其雷达本体重量达到500千克，使用的倒置卡塞格伦天线孔径超过1米，堪称当时机载雷达中的“巨人”。然而，由于苏联相对落后的电子工业水平，旋风A雷达虽然有着硕大的体积，但其功能却十分的单一，其扫描线基本与机身轴线重合，完全不具备下视下射能力，以其超过1米的超大雷达孔径，对典型轰炸机目标的探测距离却只有100千米。究其原因，还是出在其落后的基本结构上，旋风A雷达的基本电子元件以真空管为主，虽然其标称峰值功率高达600千瓦，但绝大部分以热量的形式散失掉了，其功率利用率很低而且由于真空管雷达的波束控制能力低下，导致雷达只能以单脉冲体制进行简单的对空搜索，而当捕获目标以后，该雷达只能以单目标跟踪模式对目标锁定并导引机载导弹发起攻击。凭借着巨大的体积，旋风A雷达拥有120°的水平扇面的搜索范围，12°的俯仰搜索范围，并具有自动搜索/跟踪的能力，整个雷达系统可以直接通过经过升级的自动化截击系统与地面指挥站进行作战信息的交互。

米格-25战斗机有多种改进型号投产并列装苏联空军。

米格-25P、米格-25PD和米格-25PDS为代表的高空截击型战斗机，采用R-15B-300涡喷发动机（静推力7500千克，加力推力10210千克），机内燃油总量17760升。米格-25P战斗机1964年9月9日首飞，但其后研制中碰到大量问题：飞机的稳定问题等很长时间解决不了，带导弹高速飞行及发射一侧导弹时稳定问题尤其严重，截击型直到1970年才通过国家验收，1973年开始进入苏空军服役。该型可带4枚R-40中程空空导弹，机载雷达搜索距离100千米，跟踪/打击距离50千米。

在1978年，改进型米格-25PD截击机投产，该机换装了更大推力的R-15BD300发动机（静推力8800千克，加力推力11200千克）和新的N-005 Saphir-25（RP-25M）脉冲多普勒雷达（具下视下射能力，跟踪／打击距离增加到75千米），米格-25PD截击机可以安装四枚R-60空对空导弹，取代最外层的两枚R-40导弹，可在机身下加挂一个5300升的副油箱增加航程。

苏军航空兵中的米格-25P截击机随后都在大修厂被改装成PD型，并一直生产到1982年。继而又全部加装了空中加油管，更名为米格-25PDS截击机。阿尔及利亚，伊拉克，伊朗，叙利亚都买了这一型飞机。

米格-25R为代表的侦察机。该机1964年3月6日首飞，装备R-15B-300涡喷发动机发动机，飞机没安装武器系统，机头处装了一套照相设备，照相机可用一具650毫米焦距的镜头或1300毫米焦距的镜头，前者可覆盖5倍于飞行高度的地区（如飞行高度2万米，则侦照可覆盖110千米）而后者可侦照覆盖2.5倍于飞行高度的地区。米格-25R侦察机于1969年开始在高尔基城量产。此型先后被出口到阿尔及利亚，保加利亚，印度和伊拉克。在伊拉克的侦察型全被伊拉克改成了侦察轰炸型。

米格-25RB、米格-25RBV和米格-25BM为代表的侦察轰炸机。苏军根据需要在1969年提出要求生产侦察轰炸型米格-25，编号为米格-25RB型。1970年开始量产，且把所有的前期米格-25R型都改成了米格-25RB侦察轰炸机。米格-25RB侦察轰炸机可带6枚500千克炸弹，也可在机身下挂5300升副油箱。米格-25BM则是专门改装挂载Kh-58反辐射导弹，用于摧毁敌方地面雷达的型号。

以米格-25PU、米格-25RU为代表的教练机，PU型是截击型教练机于1968年投产，而RU型是侦察型教练机于1972年投产。两型教练机均没有武器装备及格斗能力。该两型教练机与世界上其它教练型的不同在于教员和学员座舱是分开的而且教员座舱在前下部学员座舱在后上部。该两型飞机最大平飞速度马赫2.65，在20世纪70年代中后期，苏联女飞行员驾教练型先后创下4项世界妇女飞行纪录。

米格-25战斗机在实战中与美国F-4鬼怪等同时代先进战斗机作战时仅有一定的速度优势，而这点也在实战中被验证。米格-25战斗机除在苏联空军中服役外，还向利比亚、叙利亚、阿尔及利亚、印度、伊拉克等国出口。

1971年秋第四次中东战争爆发前夕，4架苏联米格-25R侦察型进驻埃及，不时前往以色列上空侦察。以色列空军派出了当时西方最好的战斗机——美国研制的F-4“鬼怪”拦截。米格-25P打开了加力燃烧室，一会就抛开了尾追的F-4。F-4连忙发射AIM-9“响尾蛇”近距空对空导弹，试图导弹尾追米格-25，没想到连导弹都没追上。此时以色列地面站发现，这架米格-25的速度超过了3.2马赫，让西方震惊。

1976年9月6日，苏联飞行员别连科驾驶一架米格-25P战斗机叛逃，在日本函馆民用机场强行降落。苏联对外宣称别连科迷航，误降函馆，要求归还飞行员和飞机。几天后被卸下机翼的米格-25由美国一架C-5运输机，在十几架战机护航下，运至东京近郊的空军基地。随后米格-25被大卸八块，日美联合检查了飞机的每一部分。直到1976年11月12日，叛逃的米格-25P飞机才归还苏联。该事件导致了巨大的损失，由于雷达、无线电、敌我识别等绝密外泄，所有米格-25战斗机被迫回厂改换上述系统，其他作战飞机也受到不同程度的影响。

海湾战争中，伊拉克的米格-25凭借高速性能，也给了美军不少压力。曾至少击落了一架F/A-18战斗机。在“沙漠风暴”中，两架米格-25成功用侧转以及降低高度的动作逼近F-15的视线范围，但当F-15进入缠斗动作时，便轻而易举地咬住米格-25的尾巴，将这两架超视距空战动作漂亮、缠斗动作不及格的米格-25打落到沙漠。此外，海湾战争中至少2架米格-25在地面被美军缴获。

1992年12月，伊空军一架米格-25飞机在伊拉克北部禁飞区被美F-16战斗机使用AIM-120先进中距空空导弹击落。但后来伊军在长期的对抗中总结了经验并创立了行之有效的新战术，曾有米格-25战斗机在被美军发现并发射AIM-120中距空对空导弹（此前该导弹在实战中从无失手）攻击的情况下居然能够以高速转弯迅速脱离。

2002年12月23日，伊军出动的米格-25成功击落了美军一架“捕食者”无人侦察机。

2003年2月27日，一架伊军米格-25“狐蝠”战斗机更越境深入沙特领空大约30千米左右。不过，当这架飞机的驾驶员发现自己被高空迎面飞来的美军F-15C战斗机雷达“锁定”后，立刻调头返航。米格-25成为伊空军挑战禁飞区的有力兵器。

米格-25战斗机在获得极高赞誉的同时，诋毁和贬低也如影随形。米格-25战斗机是应高空的威胁而生，其设计初衷原是为了在2万米以上的高空截击入侵的敌方侦察机和轰炸机，然而，在其1190余架的生产份额中，却有60%是侦察型或侦察轰炸型，高空高速的巨大突防优势使本来是用于守卫苏维埃领空的巨大战斗机最终却只是把截击当成了“副业”，由一面坚厚的盾牌，变成为了刺穿敌方防空体系的一支利矛。（空军之翼 评）

米格-25战斗机有着无与伦比的高空性能，但中低空性能及机动性能就差劲了。该型很好地达到并满足了苏联空军提出的高空高速的要求，但却始终未达到其他部分的设计要求。发动机耗油量巨大使得航程受限、机动性很差，截击型带导弹高速飞行时仍存在稳定的问题，所以截击型不能像侦察型那样飞3.2马赫，最大速度限制在2.8马赫。米格-25战斗机可以说是集中人力物力，研制纯单一用途战斗机的典型例子。（空军之翼 评）

对米格-25战斗机进行评价不能脱离当时的技术条件和苏联军队的战术思想，必须认识到米格-25只是苏联空中作战系统中一个组成部分的这个事实。米格-25虽然已经被米格-31战斗机所取代，但是作为苏联的航空工业典型代表，米格-25战斗机在技术上可以说是一个了不起的成就，苏联设计师利用相对简单的技术来完成复杂设计的能力也非常值得尊敬和学习。（《航空档案》 评）