Опытный Як-120М получили, используя планер второго Як-120. На нем установили двигатели АМ-9А с тягой по 2650 кгс на максимальном режиме и по 3250 кгс на форсированном. Гондолы двигателей увеличили подлине и сечению. Подкрыльевые щитки выполнили более короткими по размаху, а угол их отклонения на взлете уменьшили до 10°; высоту второй аэродинамической перегородки увеличили на 50 мм и сдвинули ее к концу крыла на 250 мм. У оснований ПВД установили противофлаттерные грузы общей массой 22 кг. В нижней части фюзеляжа сделали две ниши под контейнеры снарядов АРС-57 или ТРС-190, и в связи с их установкой изменили форму и объем топливных баков. Для снижения массы вместо 37-мм установили 23-мм пушки, сохранив боекомплект.
В январе 1955 г. завершились испытания Як-120М, проводившиеся силами ОКБ-115. Но и к этому времени ОКБ-339 доводку «Сокол-М» не закончило. Поэтому самолет был предъявлен в ГК НИИ ВВС с прежней станцией и без реактивного вооружения. В таком виде он прошел первый этап госиспытаний, который завершился 26 апреля утверждением соответствующего акта. Из-за невозможности включения форсажа ниже 5000 м полученные на госиспытаниях летные характеристики самолета несколько недотягивали до требуемых: максимальная скорость на высоте 5000 м составляла 1122 км/ч вместо требуемой 1150 км/ч, потолок -16300 м вместо 16500-17000 м, время набора 10000 м было значительно больше заданных 2,0 мин.
Довести станцию «Сокол-М» разработчикам так и не удалось, поэтому Як-120М в серию запускать не стали. Кроме того, в связи с изменившимися тактико-техническими требованиями (ТТТ) для перехватчиков (прежде всего - по скорости) ОКБ-115 уже готовило к испытаниям новую сверхзвуковую машину. 28 марта 1956 г. вышло Постановление Совмина СССР №424-261, а 6 апреля и соответствующий приказ МАП № 194, согласно которым опытный Як-120М следовало использовать лишь для отработки и испытания двигателей РД-9Ф (машина позднее была переименована в Як-120МФ).
В начале 50-х гг. вышло несколько правительственных постановлений о создании управляемого ракетного авиационного вооружения и на его основе - авиационных комплексов перехвата воздушных целей. Проектирование ракет было поручено одновременно нескольким конструкторским бюро. Так, в ОКБ-2 под руководством П.Д.Грушина создавались системы К-5, К-6 и К-51, в ОКБ-134 И.И.Торопова - К-75 и К-7 (в варианте К-7л с полуактивным радиолокационным наведением и К-7с с тепловой головкой самонаведения), в ОКБ-4 М.Р.Бисновата - система К-8 (также в двух вариантах). Постановление Совмина N“2543-1224 об испытаниях этих систем в составе авиационных комплексов вышло 30 декабря 1954 г. Разработчикам вооружения, самолетов и бортового радиолокационного оборудования предписывалось работать совместно. Все истребительные КБ получили задание оборудовать образцы своих изделий для оценки их в качестве носителей управляемого реактивного оружия. ОКБ-115 предстояло переоборудовать и испытать серийный Як-25М.
В 1955 г. на доработанном Як-25М прошла испытания система вооружения К-5, включавшая ракеты РС-1У и пусковые устройства. На перехватчике при этом произвели следующие изменения:
Правая пушка Н-37Л и фрагменты правой мотогондолы Як-25
Тормозной щиток (вид по полету), щиток-закрылок и гильзоотвод на Як-25
Зона сопряжения киля и ГО на Як-25
РЛС «Сокол» заменили на специально модернизированную станцию «Изумруд», между гондолами двигателей и фюзеляжем установили пилоны подвески ракет по два с каждого борта, сняли пушечное вооружение и разместили необходимое дополнительное оборудование. Самолет получил обозначение Як-25К, а авиационный комплекс в целом - Як-25К-5. Испытания проводились как с боевыми ракетами, так и с макетами. Был произведен ряд пусков, в том числе по самолету-мишени. В этот же период испытания К-5 проводились на МиГ-17ПФ (СП-6). После их завершения на обоих самолетах-носителях систему К-5 приняли на вооружение (ракеты выпускались под шифром «изд. М», позднее - «изд. И»), а перехватчики запустили в серию под обозначениями Як-25К и МиГ-17ПФУ. Оба самолета выпускались в очень ограниченном количестве. Более широкое применение нашли МиГи, которые состояли на вооружении авиации ПВО вплоть до начала 70-х гг.