В ходе эксплуатации «Миража» IIIC ярко проявились два основных недостатка самолета — низкая надежность БРЭО и недостаточный запас топлива. Последний недостаток пытались оперативно исправить подвеской внешних топливных баков различной емкости, от 445 до 1300 л. Однако при нанесении ударов по наземным целям подвесные баки просто вытесняли полезную нагрузку, из-за чего конструкторам приходилось придумывать всяческую экзотику, вроде комбинации баков с блоками НАР или подвески бомб прямо на баки. Но все эти ухищрения имели и обратный эффект — они увеличивали аэродинамическое сопротивление и ограничивали маневренность, а следовательно и способность «Миража» уклоняться от вражеских истребителей и огня ПВО.
При разработке новой модификации, получившей обозначение «Мираж» IIIE, главной целью конструкторов стало увеличение емкости внутренних топливных баков и замена оборудования на более современное. Кроме этого, Франция получила в свой арсенал тактическое ядерное оружие, и военные потребовали оснастить им новые истребители-бомбардировщики. Генералы видели основное назначение самолета в нанесении тактических ядерных ударов с малой высоты в любых метеоусловиях с сохранением возможности ведения воздушного боя и выполнения перехвата.
В качестве базовой конструкции для переделки выбрали шестой предсерийный «Мираж», на котором удлинили фюзеляж за счет 30-сантиметровой вставки за кабиной пилота. Кроме увеличения объемов топливных баков до 2432 л, это позволило выдвинуть кабину вперед и поставить ее перед воздухозаборниками, что улучшило обзор в стороны и вниз.
На самолет установили экономичный и мощный двигатель «Атар» 9С-3 с максимальной тягой 6200 кгс. У этого ТРД было новое сопло с 18-ю створками, что позволило более точно управлять его диаметром. С целью уменьшения донного сопротивления форму хвостовой части истребителя перепроектировали. Претерпела изменения и форма киля. Кроме этого, конструкторы усилили крыло, теперь на него можно было подвесить до 4000 кг груза или огромные топливные баки емкостью 1700 л.
Полет истребителей «Мираж» IIIE с использованием ЖРД
Низковысотный полет австралийского «Миража» IIIOA
Разобранный «Мираж» IIIO загружен в «Геркулес» для доставки в Австралию. 1963 г.
Замена пушечного лафета на «Мираже» IIIOA
Возможность использования ракетного ускорителя на «Мираже» IIIE сохранили. Как и прежде, вместо него можно было установить топливный бак емкостью 546 л.
Самолет оснастили новым радиолокатором «Сирано» ИВ и системой TACAN, а под носовой частью закрепили доплеровский измеритель путевой скорости и угла сноса (ДИСС), совместной разработки фирм CSF и Marconi. Информацию о пространственном положении самолета выдавала курсовертикаль Bezu CCV 180. Аэродинамические параметры измерялись системой воздушных сигналов Crouzet 22. Навигационная информация выводилась на большой специальный индикатор.
Все эти приборы работали в одном комплексе, образуя бортовую навигационную систему, одну из первых в Европе. Она позволяла совершать полет в один из 12 заранее заданных пунктов. Координаты каждого пункта маршрута записывались в виде комбинаций сквозных отверстий на пластиковых карточках, которые вставлялись в специальный оптический считыватель на приборной доске. Пилот поворотом ручки выбирал нужный пункт, вычислитель автоматически рассчитывал оставшуюся до него дальность и указывал нужный курс, а автопилот вел самолет в заданном направлении. Прицельная марка, пилотажная информация, дальность до цели и текущий курс выводились на стекло прицела CSF-97 в кабине, который с этого момента уже можно считать индикатором на фоне лобового стекла (ИЛС).-
При действии по наземным целям пилот переключал радиолокатор в режим сканирования земной поверхности, и изображение радиолокационноконтрастных целей (корабли, танки, мосты, дома и т. д.) появлялось на экране индикатора. А вычислитель прицела обеспечивал автоматическое и полуавтоматическое бомбометание, как с горизонтального полета, так и с полупетли. Кроме того, новая РЛС помогала летчику избежать столкновений с наземными препятствиями в полете на малых высотах, показывая на экране индикатора линию горизонта. Подобные технические возможности прицельной и навигационной систем самолета выводили его на очень высокий уровень в мире. По оборудованию «Мираж» IIIЕ уступал только американским истребителям.
Первый полет самолета состоялся 5 апреля 1961 г. в Истре. Пилотировал машину Жан Коро (Jean Coureau). Летные испытания показали, что увеличение взлетной массы машины более чем на 1500 кг практически не ухудшило основные характеристики. Единственное отставание новой модификации проявилось в скороподъемности. Так, на набор высоты 16000 м и разгон до скорости 2М «Мираж» IIIE затрачивал 8 мин, а «С» делал это на 40 с быстрее. Но вот характеристики по дальности полета резко улучшились.
Состав вооружения «Миража» IIIE расширился. В него добавили управляемые ракеты класса «воздух-земля» AS.30, бомбы различного назначения, тактическую ядерную бомбу AN-52. В конце 1960-х гг. «Миражи» вооружили противорадиолокационными ракетами Martell AS.37 совместной англо-французской разработки.
В 1965 г. первым французским подразделением, перевооружившимся на «Мираж» IIIE, стала третья эскадрилья «Альпы» из 13-й эскадры. Всего было закуплено 183 самолета, которыми вооружили 4 боевые эскадры французских ВВС. До 1968 г. все «Миражи» имели серебристую окраску, а затем были перекрашены в серо-зеленый камуфляж.
114 самолетов «Мираж» IIIE без оборудования для применения ядерного оружия поставили на экспорт. Наиболее крупным заказчиком новой модификации истребителя стала Австралия. В 1960 г. «Мираж» IIIE под обозначением IIIO там выбрали для замены самолетов Sabre. Первый заказ включал 30 истребителей, затем их количество увеличили до сотни. Причем планеры, двигатели, оборудование и окончательную сборку этих самолетов решили производить в Австралии по лицензии. Первые два «Миража» ИЮ строились во Франции. 9 апреля 1963 г. их торжественно передали представителям ВВС Австралии. Следующие 11 машин собрали из французских комплектующих на государственном авиазаводе в Мельбурне. Остальные 98 самолетов, получивших обозначение «Мираж» IIIOA, были уже австралийского производства.
| Эскадра | Эскадрилья | Период эксплуатации |
| 2-я | ЕС 1/2 «Сигонь» | 1968-83 |
| ЕС 3/2 «Эльзас» | 1968-85 | |
| 4-я | ЕС 1/4 «Дофин» | 1967-88 |
| ЕС 2/4 «Лафайет» | 1966-88 | |
| 3-я | ЕС 1/3 «Наварра» | 1965-93 |
| ЕС 2/3 «Шампань» | 1965-90 | |
| ЕС 3/3 «Арденны» | 1987-94 | |
| 13-я | ЕС 1/13 «Артуа» | 1965-77 |
| ЕС 2/13 «Альпы» | 1965-92 |
| Обозначение | Страна | Количество |
| «Мираж» IIIEA | Аргентина | 17 |
| «Мираж» IIIEBR | Бразилия | 16 |
| «Мираж» IIIЕЕ | Испания | 24 |
| «Мираж» IIIEL | Ливан | 10 |
| «Мираж» IIIЕР | Пакистан | 18 |
| «Мираж» IIIEV | Венесуэла | 10 |
| «Мираж» IIIEZ | ЮАР | 17 |
| «Мираж» IIIO | Австралия | 2 |