На втором этапе к государственным испытаниям присоединился НИИ ВВС. Если первые истребители МиГ-23 вызывали массу нареканий, то МиГ-23Б лётчики приняли с одобрением, и истребитель-бомбардировщик получил в целом положительную оценку. Отмечалось, что возможности КИГ позволяют выполнять взлёт и посадку на меньших скоростях и углах атаки, чем у других машин, что упрощает освоение самолёта лётчиками — взлётно-посадочные режимы напоминают ту технику, к которой они привыкли во время обучения в училищах на тренировочных машинах. В числе достоинств назывались продуманность бортового оборудования, облегчавшего работу лётчика, высокая степень его автоматизированности, весьма эффективным сочли прицел АСП-17С. При атаке наземной цели подвижная прицельная марка автоматически отклонялась на вычисленные углы упреждения в продольном и боковом направлении, отрабатывая текущие параметры полёта и указывая точку на земле, куда в данный момент упали бы бомбы или пришлась пушечная очередь или залп НАР. Точность атаки позволял повысить отличный обзор, дававший запас времени на прицеливание и устранение ошибок (у Су-17 первых моделей объёмистая носовая часть быстро накрывала цель, и на прицеливание оставались секунды). Вместе с тем, отмечалось, что МиГ-23Б в пилотировании несколько сложнее Су-17, который «прощал» летчику многие ошибки и самостоятельно выходил из ряда опасных режимов.
МиГ-23Б легко разгонялся, выходя на сверхзвук, и на высоте достигал скорости 1800 км/ч. У земли он мог выполнять сверхзвуковой полёт со скоростью до 1350 км/ч (это значение являлось предельным по скоростному напору и нагрузкам), а с 3000 кг бомб — до 1000 км/ч. Перегоночная дальность с тремя подвесными баками ПТБ-800 на десятикилометровой высоте, наивыгоднейшей по расходу топлива, составляла 2110 км. При определении дальности полёта на малой «боевой» высоте А. В. Федотов на МиГ-23Б с заправкой только внутренних баков преодолел маршрут Жуковский — Ахтубинск, пройдя на высоте 600 м более 1000 км. Практический радиус действия самолёта с тремя ПТБ-800 и тонной бомб (две ФАБ-500М-62) на двухсотметровой высоте составлял 610 км, с трёхтонной бомбовой нагрузкой (шесть ФАБ-500М-62) — 400 км.
Унаследованные от истребителя особенности компоновки МиГ-23Б и положение точек подвески обусловили не очень удовлетворительное размещение ракетного вооружения. Снарядить блоки НАР на передних подфюзеляжных узлах мешали стойки шасси, из-за чего пришлось внести изменение в инструкцию, запрещавшую ранее подвешивать уже заряженные блоки. Ракеты С-24 на этих узлах находились в опасной близости от подвесного бака, который мог быть повреждён мощным факелом ракетного двигателя, и перед стрельбой его следовало сбросить. А Х-23 с соплами, размещёнными по бокам, при пуске вообще могли прожечь тонкостенный бак, из-за чего их приходилось вешать только под крыло. Однако и при пуске с подкрыльевых держателей ракеты сходили всего в полуметре от среза воздухозаборников, оказывавшихся в горячей волне пороховых газов, грозившей помпажем и остановкой двигателя. Для увеличения опасно близкого расстояния и подфюзеляжные, и подкрыльевые держатели пришлось установить с небольшим развалом в стороны, отклонив наружу на 6°. Для предотвращения помпажа была введена автоматика отсечки топлива (АОТ), при нажатии на боевую кнопку на несколько секунд переводившая двигатель на «малый газ», а через 2,4–5 с после схода ракет с направляющих он снова выходил на режим. При стрельбе из пушки и пуске НАР опасных явлений не возникало, хотя сход тяжёлых С-24 и ощущался «просадкой» оборотов и минутным повышением температуры.
По окончании испытаний опытные образцы МиГ-23Б оставались на лётной базе ОКБ в Жуковском и использовались при отработке оборудования и систем новых модификаций. Опытные экземпляры, проходящие сложные испытательные программы, часто имеют короткий век. Судьба образцов МиГ-23 в этом отношении сложилась удачно: и истребитель «23–11/1», и ударный «32–24/1» прошли весь цикл испытаний без аварий и серьёзных поломок. Самолёт «23–11/1», отлетавший более 200 часов, в июне 1971 г. передали в Музей ВВС в Монино. Первый опытный «32–24/1» долгое время служил в качестве летающей лаборатории, выполнив последний полет 24 июня 1976 г. После выработки ресурса его передали в школу младших авиационных специалистов (ШМАС) на юго-западе Москвы в качестве наглядного пособия; впоследствии он стал экспонатом ныне совершенно заброшенного авиационного музея на Ходынском поле.