Сверхсекретный Е-155 был впервые показан на воздушном параде в Домодедово 9 июля 1967 г. Перед изумленной публикой (особенно иностранной) в плотном строю прошли третий прототип разведчика и три опытных перехватчика. Пилотировали их летчики-испытатели ГНИКИ ВВС, участники Госиспытаний И.И. Лесников (Е-155П-1), Г.А. Горовой (Е-155П-2), В.И. Петров (Е-155Р-3) и Г.Б. Вахмистров (Е-155П-5 с голубым бортовым номером «05», но уже без «ласт» на законцовках крыла). На участвовавших в параде перехватчиках к фюзеляжу снизу плотно прилегали обтекаемые контейнеры КЗА.
Интенсивные испытания выявили новые недостатки конструкции, некоторые из которых привели к авариям и катастрофам. Например, при маневрах с перегрузкой в 5д законцовка крыла отклонялась от своего нормального положения почти на 70 см, при этом случался реверс элеронов, который приводил к потере управляемости. Для борьбы с этим явлением ввели ряд ограничений, но конструкцию дорабатывать не стали. Именно несоблюдение этих ограничений привело к гибели 30 октября 1967 г. ведущего летчика-испытателя ГНИКИ ВВС И.И.Лесникова – одного из тех, кто демонстрировал новую машину на параде. Он погиб из-за возникновения реверса элеронов при превышении ограничений по приборной скорости полета во время попытки установления рекорда скороподъемности на Е-155П-1. После этой трагедии для обеспечения удовлетворительной поперечной управляемости во всем диапазоне скоростей применили дифференциальное отклонение половин стабилизатора. Максимально допустимая приборная скорость сразу повысилась с 10ОО до 1200 км/ч, а последующие доработки позволили увеличить ее до 1300 км/ч.
Опытный Е-155П-1 – первый прототип перехватчика МиГ-25П
На крыле опытного Е-155П-5 были установлены концевые аэродинамические-поверхности («ласты»)
В 1968 г. Е-155П получил предварительное заключение о возможности начала серийного производства, но до осени следующего года продолжал испытания. За этот период на перехватчиках был выполнен 161 зачетный полет в Ахтубинске и еще 51 – в Жуковском. Кроме того, было выполнено 116 полетов на отработку систем и пуски ракет. В качестве целей использовались Е-155П-10 и Е-155П-11. Интересно, что во время этих полетов авиаторы столкнулись с рядом новых для себя проблем. Одной из наиболее серьезных стала безопасность при боевых перехватах, так как зона возможного падения обломков мишени и ракет (особенно при сверхзвуковых перехватах на встречных курсах) измерялась сотнями километров по дальности и десятками – по ширине. Это существенно превышало размеры полигонов и усложняло работу.
В качестве целей, помимо самих опытных перехватчиков, использовались Су-9, МиГ-17, МиГ-21, ЯК-25РВ, Ту-16, Ту-22 и Ил-28. В обеспечении испытаний участвовали МиГ-21 УС, Су-9, ЛЛ на базе «Тушек», ретранслятор команд наведения на базе Ил-14, моделирующие комплексы и наземные системы. Всего в период испытаний в Ахтубинске Е-155П выполнили 1291 полет и выпустили 105 ракет по 33 мишеням типа Ил-28М, М-21 (на базе МиГ-21), Ту-16М, Як-25РВ-И, КРМ. Опытные перехватчики, базировавшиеся в Жуковском, выполнили 170 полетов. Около 600 полетов совершили самолеты обеспечения.
26 апреля 1969 г. случилась новая беда- на Е-155П-11 разбился командующий авиацией ПВО генерал А.Л. Кадомцев. Это был его первый и последний полет на этом типе самолета. Через несколько минут после взлета разрушился один из двигателей, и начался пожар. Самолет потерял управление и вместе с летчиком врезался в землю. Причиной происшествия стал отрыв лопатки турбины двигателя Р15Б-300. После катастрофы генерала Кадомцева турбину подвергли доработке, а температура газов перед ней была временно ограничена.
Совместные Госиспытания перехватчика завершились 28 апреля 1970 г. Произошедшие аварии и гибель летчиков не повлияли на их исход. В Акте по испытаниям, утвержденном Главнокомандующими ВВС П.С. Кутаховым и войсками ПВО П.Ф. Батицким, а также министрами СССР П.В. Дементьевым, В.Д. Калмыковым, С.А. Зверевым и Бахиревым (за Генерального конструктора А.И. Микояна документ подписал его первый заместитель Р.А. Беляков), было записано: «Авиационно-ракетный комплекс перехвата воздушных целей С-155 по своим боевым возможностям в основном соответствует Постановлению ЦК КПСС и Совета Министров СССР. По сравнению с находящимися на вооружении комплексами перехвата, комплекс С-155 имеет преимущества по боевому управлению на больших и средних высотах, по помехозащищенности, по дальностям действия бортовой РЛС, дальностям пуска ракет, по насыщенности современным пилотажно-навигационным оборудованием, обеспечивающим применение самолета в сложных метеоусловиях и позволяющим значительно снизить допустимый минимум погоды».