Правительственным документом предусматривались летные испытания Е-50 в мае 1955 г. Однако их начало из-за неготовности машины, построенной к 1 ноября, пришлось перенести на следующий год. Первый полет на Е-50 выполнил летчик-испытатель В.Г. Мухин 9 января. В ходе летных испытаний с работающим ЖРД удалось получить максимальную скорость 2470 км/ч на высоте 18 км (что соответствовало числу М = 2,32) и динамический потолок 25580 м. При включении ЖРД на высоте 9 км самолет поднимался на высоту 23 км. Время горизонтального полета на высоте 20 км не превышало четырех минут с учетом торможения после выключения ЖРД. Продолжительность полета при работе ЖРД в режиме максимальной тяги была не более 3,1 минуты, а на режиме малой тяги – 16,2 минуты. Посадочная скорость находилась в пределах 250-260 км/ч при пробеге 1100-1300 м, длина разбега – 2000-3000 м.
Самолет имел стандартный набор оборудования: радиостанцию РСИУ-ЗМ, радиокомпас АРК-5, ответчик «Барий-М», маркерный радиоприемник МРП-40П. Предусмотрели и вооружение – две пушки НР-30.
В июне проверили безопасность аварийного слива компонентов топлива для ЖРД. Вопреки мнению скептиков слив прошел успешно, а смесь из керосина и азотной кислоты так и не воспламенилась.
14 июля 1956 года в 18-м полете самолет, пилотируемый Валентином Григорьевичем Мухиным и налетавший всего 5 часов 25 минут, потерпел аварию. Сразу после взлета, на высоте 150-200 м, в кабине летчика начала мигать лампочка «пожар двигателя». Летчик перевел двигатель с максимального на номинальный режим и стал разворачивать машину для захода на посадку. Однако после четвертого разворота увеличилась скорость снижения машины. В.Г. Мухин перевел сектор газа на увеличение оборотов – но тщетно: самолет, не долетев 700 м до ВПП, коснулся земли. Последствия такой посадки были, естественно, тяжелыми: сломалось шасси, правая консоль погнулась, левая – оторвалась вообще, фюзеляж разломился. Но самое удивительное, что, побывав в такой «передряге», Мухин отделался, как говорят, легким испугом и продолжил испытательную работу.
В декабре 1956 года на заводские испытания передали вторую машину Е-50/2, на которой заменили катапультное кресло «ЕИЗ» на «СК» и доработали систему аварийного сброса фонаря. Самолет, как и его предшественник, имел двигатель РД-9Е; вооружение отсутствовало.
До этого на самолетах ОКБ-155 устанавливали катапультные кресла со шторкой, закрывавшей лицо пилота при катапультировании. В апреле 1954 года на рассмотрение макетной комиссии по самолету И-3 представили катапультную установку «ЕИЗ», разработанную в ЛИИ, с защитой летчика от набегающего воздушного потока фонарем. Летные испытания экспериментальной установки начались сначала на переоборудованном самолете Ту-2, а затем, в декабре 1955 года – на УТИ МиГ-15 (СТ-10) № 3410. Проверялось соответствие установки общетехническим требованиям ВВС и возможность использования на будущем МиГ-21. Испытания проводили летчик Амет хан Султан и парашютист В.И. Головин. Все шло, в общем, хорошо, но в одном из полетов в момент катапультирования произошел взрыв, к счастью, не приведший к жертвам. Впоследствии на базе «ЕИЗ» в ОКБ-155 создали установку «СК», также испытанную на УТИ МиГ-15.
При весе установки «СК» до 240 кг пиропатрон стреляющего механизма обеспечивал начальную скорость катапультирования 18,5-19 м/с, создавая кратковременную перегрузку до 20 д, а при торможении на максимальной скорости – 25-36д. Система «СК» обеспечивала спасение летчика на скоростях до 1100 км/ч (видимо, по прибору), защищая его от воздушного потока, и безопасную высоту катапультирования 110 м (вместо 250-300 м ранее). Снижение перегрузки за счет увеличения хода поршня стреляющего механизма снижало нагрузку на позвоночник пилота за счет размещения привода катапультирования на боковых стенках (руки размещались на подлокотниках).
Система «СК», разработанная В.М. Беляевым, С.Н. Люшиным, А.Р. Фокиным, М.Р. Вальденбергом, А.К. Юдичевым и К.А.Титковым, устанавливалась на самолеты МиГ-21 Ф, МиГ-21Ф-13 и МиГ-21ПФ до 1965 года, а кресло – и на МиГ-21 У.