Для его установки фюзеляж самолета пришлось удлинить до 14,17 м. И тут возник эффект домино. Возросшая до 7975 кг масса заставила конструкторов увеличить размах крыла до 8,15 м, что увеличило аэродинамическое сопротивление. Чтобы его компенсировать, уменьшили относительную толщину профиля в корне. Кроме того, для повышения устойчивости на больших углах атаки носку крыла придали коническую крутку и сделали «запилы».
«Мираж» IIIA-01, ставший первым прототипом многоцелевого истребителя, совершил первый полет 12 мая 1958 г. В кабине находился Ролан Главани. 24 октября «Мираж» IIIA-01 без помощи ЖРД впервые достиг скорости, соответствовавшей 2М, Таким образом, он стал первым европейским самолетом, летавшим на двух «Махах» в горизонтальном полете, используя тягу только ТРД. Также «01» прославился, став первым самолетом, на котором женщина разогналась до двух скоростей звука. Этот исторический полет совершила 26 августа 1959 г. летчик-испытатель Жаклин Ореоль (Jacqueline Auriol).
17 февраля 1959 г. полетел «Мираж» IIIA-02. Основным его назначением стало испытание ракетного ускорителя SEPR 841. Через две недели взлетел и «Мираж» IIIA-03, который после предварительных испытаний отправили в распоряжение военных пилотов из учебно-испытательного центра ВВС в Мон де Морсан. 18 июня на этом самолете Жерар Мюсели (Gerard Muselli) установил мировой рекорд скорости по замкнутому 100-километровому маршруту — 1771 км/ч. И хотя этот рекорд продержался недолго (в декабре его побил американский истребитель F-105, разогнавшийся до 1878,67 км/ч), для фирмы «Дассо» он был исключительно важен, так как о новом истребителе узнали во всем мире. В мае «03» опять прославился, Жан-Мари Саже (Jean-Marie Saget) достиг динамического потолка 25500 м с включенным SEPR 841. 28 октября 1968 г. «Мираж» IIIA-03 разбился при посадке в испытательном центре Истр. Пилоту Алену Броссье (Alain Brossier) удалось катапультироваться.
Четвертый образец особенно ничем не выделился. На нем проходили испытания бортовые системы. Пятый «Мираж» IIIA стал прототипом серийных истребителей «Мираж» IIIC с радаром Cyrano Ibis фирмы Thomson-CSF и увеличенной площадью киля. 12 октября 1960 г. самолет разбился во время выполнения демонстрационного полета в Бретиньи.
«Мираж» IIIA-06 отличался отсутствием ПВД в носовой части и впоследствии был переоборудован в «Мираж» IIIE. Самолет использовали для оценки возможности базирования на неподготовленных и ограниченных площадках. В частности он совершил несколько полетов с ровных участков автомобильных дорог. Для сокращения взлетной дистанции использовался штатный ракетный ускоритель.
Седьмой образец после соответствующих испытаний облетали пилоты из Швейцарии, которая хотела купить «Миражи» для своих ВВС. На «Миражах» IIIA-08, -09 и -10 проходили испытания системы вооружения, РЛС и др.
Испытания предсерийных «Миражей» IIIA шли довольно успешно, и ВВС Франции решили заказать 95 серийных самолетов. Контракт подписали 5 августа 1958 г.
Первой серийной модификацией самолета стал «Мираж» IIIC с ТРД «Атар» 9В-3 (статическая тяга на форсаже 6000 кгс). 7 июля 1961 г. первую машину торжественно передали на вооружение 1-й эскадрильи 2-й эскадры командования ПВО Франции ЕС 1/2 «Сигонь» (Sigogne — с фр. аисты). До получения «Миражей» личный состав эскадры летал на «Мистер» IV. К концу года подразделение получило полный боевой комплект — 15 машин.
Производство 95 заказанных истребителей закончилось в ноябре 1964 г. От предсерийных самолетов «Мираж» IIIC отличался полным комплектом прицельно-навигационного оборудования, которое включало:
— радар CSF «Сирано» 1бис;
— коллиматорный прицел CSF-95 «Садир» с вычислителем;
— гировертикаль sfena;
— систему воздушных сигналов Крузе 20;
— радиокомпас.