一九六五年九月，歼8 飞机设计工作全面展开。总设计师黄志千于这年五月在国外因飞机失事不幸遇难后，新机研制的技术工作由叶正大领导，以王南寿为负责人的总设计师办公室具体组织。同年十二月，歼8 飞机木质样机通过审查，一九六六年三月，设计人员到工厂与工人、工艺人员结合进行现场设计。一九六六年底，发出全套飞机图纸，一九六七年初，发出相应的生产文件，工厂亦立即开始试制。
在现场设计中，王甫寿等570 余名设计人员，陈阿玉、王阿惠等80 余名有丰富实践经验的工人以及30 余名工艺人员实行“三结合”，讨论设计方案和进行图纸设计。在此期间，工厂的工艺人员和工人提出改进意见2,330 多条，被采纳的有1,660 多条，其中重大改进有40 项，进一步改善了飞机的生产工艺性，如机翼主梁取消垫块的革新方案，就是设计员在工艺员、工人帮助下，利用米格- 21 主梁作试验后得以实现的。这一改造，改变了米格飞机的传统结构，减轻重量4 公斤。
在飞机研制过程中，设计人员突破了许多技术关键。在飞机气动布局方面，当时世界上设计超音速歼击机面临的最大问题是保证飞机大马赫数时的方向安定性。副总设计师顾诵芬主持设计攻关，空军派出优秀飞行员葛文墉进行配合，测定了歼7 飞机大马赫数时的方向安定性及飞行品质，为歼8 飞机设计提供了借鉴和依据;六〇一所、沈阳飞机厂、气动力研究试验部门的技术人员与北京航空学院教授陆士嘉、徐华舫等组成的攻关小组，做了大量风洞试验与研究分析，最后确定的歼8 型飞机的垂直尾翼和腹鳍的设计方案，保证了在大马赫数时具有良好的方向安定性。
超音速飞机的翼面颤振是最危险的气动弹性现象，也是制约飞机最大速度的一个重要因素。管德主持歼8 飞机气动弹性设计工作，建立一整套非定常气动力及颤振计算程序，做了大量风洞试验和真飞机地面共振试验及试飞，全面地确定了飞机的颤振特性。采取上述方案之后，既保证了飞机达到预定的性能，又最大限度地减轻结构重量，从而增大了飞机的推重比。此外，冯钟越主持的飞机强度计算，方宝瑞主持的飞机结构设计也取得较好的成果。
在发动机改进设计中，空心叶片的技术攻关取得重大突破。为增大发动机的推力，涡轮前的温度必须提高约100 ℃，但涡轮叶片承受不了这样高的温度。一九六四年，六二一所副所长、铸造专家荣科提出采用空心气冷叶片。当时这项技术国外刚搞出来，处于高度保密状态。荣科与沈阳金属研究所、六〇六所、沈阳发动机厂通力合作，协力攻关。沈阳金属研究所在师昌绪主持下，组织技术攻关，攻克了叶片铸造的技术难点。首先是型芯的选择，要在近100 毫米长的叶片上均匀排出粗细不等的小孔，最小的孔径只有0.8 毫米。通过科技人员共同研究试验，终于做出了可供使用的模具，以后又相继解决脱芯、超声测壁厚等工艺技术问题。一九六六年研制出中国第一片铸造多孔气冷镍基高温合金叶片，经安装在发动机上试车，取得完全的成功，从而使中国在这方面缩小了同美国的差距，成为世界上第二个在航空发动机上采用铸造空叶片的国家。
歼8 机的航炮供排弹系统是个设计难点。它要保证航炮在空中实现连续发射。过去前苏联专家认为这一系统的设计是他们的专利一直秘而不宣。这次攻关，设计人员和工人一起作试验，改装一门能模拟射击的航炮，打了一万发假弹。终于摸索出其中的规律，取得了设计的成功。
沈阳飞机厂从一九六五年下半年开始进行歼8 飞机试制的准备工作。在第一副厂长兼总工程师高方启的领导下，由副总工艺师罗时大主持制订了歼8 工艺方案。这个总方案是在综合了前苏联和英国的先进经验的基础上制订出来的。方案采用了新的工艺协调方法，即以明胶板的模线为依据，使用光学仪器、型架装配机、划线钻孔台。局部置规、局部模胎相结合的协调方法。后来的实践表明，全机11,400 多个零件。1,200 多项标准件，从100 多个组合件直至前后机身对合，机身机翼对合，以及发动机、油箱在飞机上的安装，基本上都是一次成功。新方法还大大减少了工艺装备，加快了歼8 飞机的试制进度。
