Что же касается нестандартных и неожиданных решений, то эти слова точнее всего характеризуют проект, разработанный конструкторами. Самолет представлял собой двухдвигательный высокоплан с двухкилевым хвостовым оперением. Центральную часть фюзеляжа занимал сварной топливный отсек из стали, вмещавший более 10 т горючего. Топливом предполагалось заполнить и металлические баки на концах крыла. Такой значительный запас горючего был необходим для дальних и длительных полетов на большой сверхзвуковой скорости. В носовой части фюзеляжа располагалось радиолокационное и разведывательное оборудование, ближе к хвостовой части – двигатели. К бокам фюзеляжа прилегали регулируемые воздухозаборники с большой площадью сечения прямоугольного отверстия и горизонтальным клином торможения воздушного потока (впоследствии это техническое решение применят на других типах самолетов в СССР и за рубежом). Два двигателя были выбраны в связи с тем, что по расчету самолет получался довольно тяжелым (большая масса топлива, оборудования и конструкции). Для обеспечения нормальной путевой устойчивости площади однокилевого хвостового оперения уже не хватало (иначе оно получалось очень большим), поэтому приняли схему двухкилевого оперения с небольшим развалом плоскостей, впоследствии хорошо себя зарекомендовавшую. Для этой же цели служили и дополнительные вертикальные поверхности на крыле и под фюзеляжем.
Создание нового самолета потребовало включения в работу целого ряда организаций. Кроме традиционных участников, таких, как двигателестроительное ОКБ С. Туманского, ЦАГИ, фирмы, создающие оборудование и вооружение, к процессу проектирования подключили Всесоюзный институт авиационного материаловедения (ВИАМ), в задачу которого входили поиск и разработка новых материалов. При длительных полетах на большой сверхзвуковой скорости ряд элементов конструкции должен был нагреваться до 200-300°С. Необходимо было найти марки сплавов из стали и титана, не терявших прочностные качества при такой температуре и позволявших построить самолет с заданной массой. Потребовалась разработка и новых лакокрасочных материалов, стекла, герметики и резины.
Традиционно строивший МиГи Горьковский авиационный завод также начал подготовку к производству машины. Нужно было освоить новые технологические процессы обработки жаропрочных металлических сплавов, неметаллических соединений, автоматизировать сварку и термообработку крупногабаритных отсеков и агрегатов. Советская авиационная промышленность готовилась преодолеть свой барьер в создании самого скоростного самолета третьего поколения.
Первую опытную машину Е-155Р-1 перевезли из цеха машиностроительного завода «Зенит» (так в прежние годы называлось ОКБ А. Микояна и его производство) на аэродром летно-испытательной станции в Жуковском в декабре 1963 г. На постройку прототипа ушел год. Первый экземпляр самолета представлял собой вариант разведчика без разведывательного оборудования (вместо него для центровки в носовой части установили груз).
Е-155Р-1 – первый прототип МиГ-25
На законцовках крыла крепились два металлических топливных бака общей емкостью 1200 л. Одновременно они выполняли роль противофлаттерных грузов. К задней нижней части крыльевых баков крепились вертикальные плоскости трапециевидной формы, отклоненные на небольшой угол во внешние стороны. Они увеличивали путевую устойчивость и одновременно уменьшали поперечную, то есть давали эффект обратного крыла (установленное на первом и втором прототипах крыло не имело поперечного V. В передней части воздухозаборника Е-155Р-1, как и на последующих прототипах самолета, были предусмотрены узлы для установки переднего горизонтального оперения, которое предназначалось для улучшения балансировки на больших скоростях. К моменту установки на самолет тягу каждого двигателя на форсаже удалось довести до 11200 кгс.
Прототип был окрашен в светло-серый цвет, а передняя часть фюзеляжа – в черный. Черной противоореольной краской покрыли всю поверхность самолета вплоть до фонаря кабины пилота. Необычный четырехзначный номер, выполненный большими цифрами красного цвета, украшал фюзеляж машины перед воздухозаборниками. Число «1155», нанесенное на борту, обозначало порядковый номер прототипа и его шифр (первый самолет изделия Е-155).
Александр Федотов, назначенный шеф-пилотом фирмы после аварии Георгия Мосолова на самолете Е-8, поднял Е-155Р-1 в воздух 6 марта 1964 г. С этого момента начались заводские испытания машины. Второй опытный экземпляр был направлен для статических исследований. На третьем экземпляре, также построенном в варианте разведчика, летчики А. Федотов, П. Остапенко, Б. Орлов, О. Тучков, А. Кравцов, А. Бежевец, И. Лесников и другие выполнили основной цикл испытаний.