Первый экземпляр Е-5, оснащенный штатным двигателем, вывели на ЛИС завода № 155 10 декабря 1955 г. По сути, он стал вторым опытным самолетом с треугольным крылом. От Е-4, помимо двигателя, он отличался наличием третьего тормозного щитка под фюзеляжем, эжекторов для обдува двигателя на земле, двух раздельных гидросистем (основной и бустерной), другими изменениями. Для проведения заводских испытаний была назначена бригада в составе ведущего инженера В.А. Микояна, начальника лаборатории К.К. Васильченко, начальника ЛИС К.П Ковалевского и летчика-испытателя В.А. Нефедова. 9 января состоялся первый вылет. После 7 успешных полетов 20 февраля во время наземных работ в результате разрушения турбины произошел пожар двигателя, приковавший машину к земле более чем на месяц.
С 26 марта по 19 мая было выполнено еще 8 полетов, в последнем из которых снова разрушилась турбина. Двигатель заменили, однако 29 мая все повторилось вновь.
Фонарь кабины летчика и зона пушки истребителя МиГ-21Ф-13
С 15 по 24 июня Нефедов совершил еще 8 полетов, после чего на Е-5 доработали топливную систему. С 14 по 24 июля было произведено еще 5 полетов, а 7 августа двигатель снова сняли и отправили для доработок на завод № 300. В самый разгар испытаний, 26 июля 1956 г., на Тушинском аэродроме Москвы состоялся грандиозный воздушный парад, на котором советское руководство продемонстрировало все типы самолетов и вертолетов нового поколения – опытных и серийных. ОКБ-155 показало все 3 «вариации на тему» будущего МиГ-21; Е-2 (пилотировал Г.А. Седов), Е-4 (В.А. Нефедов) и Е-5/1 (Г.К. Мосолов). К слову, в следующем году парад также был запланирован, однако не состоялся. Но во время тренировок над Тушинским аэродромом опытные истребители Е-4 и Е-5 сопровождали опытный сверхзвуковой бомбардировщик Ту-98.
22 сентября микояновцы получили очередной новый двигатель, однако 9 октября, в 30 полете, на нем произошел обрыв болтов крепления топливной форсунки. В итоге с 18 октября все полеты на самолетах, оснащенных двигателями Р-11-300, запретили. Пока двигате-листы устраняли выявленные дефекты, Е-5 также прошел серию доработок. В частности, для исправления центровки его фюзеляж удлинили на 400 мм. В небо машина вновь поднялась лишь 23 марта 1957 г., а до середины июля на ней успели выполнить еще 35 полетов.
17 июля, в ходе 65-го по счету полета на Е-5 возникла тряска стабилизатора, и полеты по решению Генерального конструктора были прекращены. Самолет перевезли на завод, где с 22 августа по 1 декабря подвергли частотным испытаниям. Их итогом стало значительное увеличение жесткости системы управления. 10 января 1958 г. опытный истребитель снова вывели из цеха для продолжения полетов, за которыми последовали новые доработки. Так, в течение февраля и марта на стабилизатор установили новые противофлаттерные грузы. С 1 апреля по 26 мая было выполнено еще 13 полетов. К этому времени уже летал второй опытный экземпляр Е-5/2. В общей сложности на заводских испытаниях Е-5 было выполнено 98 полетов. К моменту их окончания самолету присвоили наименование МиГ-21.
«Отчет по заводским летным испытаниям легкого фронтового истребителя МиГ-21 с треугольным крылом и с двигателем Р-11 -300 (изделие Е-5)» подписали летчики-испытатели Г.А. Седов и В.А. Нефедов. 20 августа 1958 г. документ утвердил Генеральный конструктор А.И. Микоян. В нем, в частности, указывалось, что основные ЛТХ, заданные Постановлением Совета Министров СССР № 424-261 от 28 марта 1956 г., выполнены. Так, максимальная скорость на высоте 10800 м равнялась 1970 км/ч (требовалось 1750 км/ч), а на высоте 5140 м – 1370 км/ч (требовалось 1300 км/ч). Самолет набирал высоту 10000 м за 1,38 мин (требовалось 1,5 мин). Практический потолок составлял 17650 м (требовалось 17000-18000 м). Единственным исключением из этого победного списка стала дальность полета: без ПТБ – 1313 км (требовалось 1500 км), с ПТБ – 1620 км (требовалось 2000 км). Это было связано с повышенными реальными расхода ми топлива двигателем Р-11-300 по сравнению с расчетными. В отношении двигателя в Отчете отмечалось, что в конце концов удалось добиться его устойчивой работы на всех режимах и высотах полета.
Маневренные характеристики истребителя также были признаны удовлетворительными. В частности, радиус виража на высоте 5000 м составлял 1450 м на форсаже и 1500 м – на максимальном режиме двигателя при скорости, соответственно, 860 и 740 км/ч и перегрузках 4,2 g и 3 д. На той же высоте минимальное время виража составило: на форсаже – 35 с при скорости 1000 км/ч, на максимальном режиме – 46 с при скорости 760 км/ч. Кабина самолета, согласно отзывам летчиков, стала более просторной, чем на МиГ-19, лучше оказался и обзор. После установки управляемой передней опоры шасси маневренность на земле оценивалась как удовлетворительная. Заход на посадку истребителя с треугольным крылом сложностей не представлял, а выпуск шасси не влиял на продольную балансировку. В полете самолет был устойчив на всех режимах, его пилотирование на сверхзвуке было названо более приятным, чем МиГ-19.