Другим направлением деятельности ОКБ А.И. Микояна в 60-е гг. (с 1967 г ОКБ получило новое наименование – Московский машиностроительный завод «Зенит») стали работы по созданию фронтового истребителя следующего за МиГ-21 поколения. Он должен был обладать большей скоростью, увеличенной дальностью полета и способностью базироваться на аэродромах с ограниченной ВПП. Самолет требовалось оснастить перспективной системой управления вооружением, обеспечивающей всеракурсный перехват воздушных целей в свободном пространстве и на фоне земли, новыми ракетами средней дальности. Для ведения ближнего боя необходимым было применение ракет малой дальности и бортовой пушки. Работы по проектированию нового самолета, получившего название МиГ-23, привели к созданию в 1967 г. первого в СССР истребителя с крылом изменяемой геометрии, консоли которого могли изменять угол стреловидности в диапазоне от 16 до 72°. Серийное производство МиГ-23 на московском заводе «Знамя Труда» продолжалось в течение почти двух десятилетий, параллельно в Иркутске строились «спарки» МиГ-23УБ.
Одновременно с доводкой МиГ-23 в конце 60-х гг. в ОКБ началась разработка на его базе фронтового истребителя-бомбардировщика МиГ-23Б, на базе которого в дальнейшем создали несколько модификаций ударных самолетов МиГ-27, строившихся в Иркутске и Улан-Удэ. Всего было изготовлено свыше 5200 истребителей МиГ-23 различных модификаций и почти 900 истребителей-бомбардировщиков семейства МиГ-27, в т.ч. 165 – по лицензии в Индии.
9 декабря 1970 г. во время операции на сердце умер Артем Иванович Микоян. В 1971 г. ММЗ «Зенит» присвоили его имя, а Генеральным конструктором ОКБ назначили Ростислава Аполлосовича Белякова (1919-2014). Под его руководством были продолжены работы по созданию новых модификаций истребителя МиГ-23, истребителя-бомбардировщика МиГ-27, перехватчиков и разведчиков МиГ-25. Кроме того, развернулась разработка двух новых типов самолетов – перехватчика МиГ-31 и фронтового истребителя четвертого поколения МиГ-29. С 1978 г. предприятие стало официально именоваться «Московский машиностроительный завод им. А.И. Микояна».
Кроме того, еще в 1965 г. в ОКБ начались работы по теме «Спираль», предусматривающей создание экспериментального пилотируемого орбитального самолета (ЭПОС). Руководителем темы был назначен Глеб Евгеньевич Лозино-Лозинский (1909-2001), в будущем – руководитель НПО «Молния», разработчика знаменитого «Бурана». Для выполнения первого этапа испытаний построили аналог орбитального самолета – изделие «105-11», на котором в 1977-1978 гг. выполнили 8 испытательных полетов со сбросом с самолета-носителя Ту-95К и последующей посадкой на специально подготовленную полосу.
Работы по созданию истребителя-перехватчика МиГ-31 (Е-155МП) проводились в соответствии с постановлением Правительства от 24 мая 1968 г. К будущему перехватчику было предъявлено требование поражения широкой номенклатуры воздушных целей, летящих на больших и малых высотах, а также на фоне земли, в простых и сложных метеоусловиях, при применении противником маневра и активного противодействия. Боевые возможности истребителя предполагалось существенно расширить благодаря применению новейшего электронного оборудования, в частности (впервые в мире) РЛС с фазированной антенной решеткой «Заслон», разработанной в НИИ приборостроения им. В.В. Тихомирова.
МиГ-31 строился по схеме самолета МиГ-25, но имел экипаж из двух человек – летчика и штурмана-оператора. На самолете впервые в отечественной истребительной авиации были установлены два двухконтурных двигателя большой тяги Д-30Ф6, обеспечивающих высокую максимальную скорость, соответствующую числу М=2,83, и большую дальность полета. Прототип Е-155МП впервые поднял в воздух 16 сентября 1975 г. шеф- пилот ОКБ Александр Федотов. Серийное производство МиГ-31 в Горьком (Нижнем Новгороде) развернулось в 1979 г., и спустя два года, в мае 1981 г., самолет приняли на вооружение истребительной авиации войск ПВО страны. В 2003 г. на МиГ-31 было установлено 19 мировых рекордов. Сегодня МиГ-31 состоят на вооружении ВВС России и Казахстана, являясь одними из самых мощных и эффективных самолетов данного класса в мире.