1961年E-152A参加了在莫斯科举行的图什莫航展后，可能是因为宽大的机身后背，很快被在北约报告中称为“鳍”。西方国家几乎不知道这是纯粹的实验机，许多西方观察员因为它与米格-21 相像便认为是米格-23，直至后来才发现米格-23是另一种完全不同的飞机。后来，E-152被米高扬设计局作为武器系统测试平台，最终于1965年坠毁，试飞员克拉弗索夫丧生。
1961年3月16号，第一架单发E-152抵达拉明斯克，它被命名为E-152-1。8月21日它在莫索洛夫的操纵下第一次试飞。到1962年9月11日，E-152-1战斗机已经生产了67架，其中有5架安装模拟的 K-9空对空导弹。带上导弹后飞机的最高速度为16,200米，时速2,650公里，最大实用载荷14,730公斤。E-152-1在条件允许下4分44秒能达到15,000米，挂两枚导弹后需要5分55秒，同样的情况达到22,000米分别需要6分40秒和8分50秒。而如果有必要，飞机最高能升到22,680米。
1961年10月7日E-152-1创下了一个世界纪录：以2,401公里的平均时速飞完100公里的环形航线。1962年7月，莫索洛夫驾驶着同样的飞机，以2,681公里的时速飞了15圈25公里的航程刷新了一个绝对世界记录。尽管这一机型给人留下了深刻的印象，但飞机却一直被发动机问题困扰着。4次发动机缺陷改进都是在原型测试项目阶段中进行的，但是试制的5台R-15-300涡喷发动机中没有一台能令人满意。
1961年8月8日，E-152-2被送到了飞机试飞中心，并在9月21日进行了它的首航。这次不像原型机那样装的是“飓风”5B雷达，而是用了另一种雷达——RP-S雷达。后来的图波列夫图-128“提琴手”和米格-25P“狐蝠”A截击机也是用的这种雷达，同时，雷达罩外型也进行了大量修改。拥有复杂弧线的新雷达罩与原来的E-150似曾相识。
但是，R-15-300仍是未能解决的麻烦问题。E-152-2的16架飞机在试飞员奥斯塔潘科的操作下进行米高扬设计局规定的测试后，因为发动机问题被搁浅。不久这种飞机更换了改进的R-15B-300发动机，该发动机后来用于米格-25，推力达到66.69千牛，加力全开后为100.12千牛。改装发动机后的原形机称为E-152P（P 为截击机），在最后反复修改后，称为E-152M（即改进型）。
E-152M的机背上有一个非常明显的背脊，其中有3个内置油箱，前方则有一个没有平挡，完全是竞赛机式的舱盖。加力燃烧时的冷却问题不像R-15B-300表现得那么明显，开在其身后的典型的冷却进气口没有了。在E-152上，导弹滑轨仍安置在翼尖上，但是K-9导弹已经被原来为图-128发展的 K-80远程空对空导弹所取代。
