De son côté, Dassault commence aussitôt à travailler sur un projet désigné Mirage III F, appareil équipé d'un réacteur américain Pratt et Whitney TF-106 et d'une aile en flèche dotée de dispositifs hypersustentateurs réduisant la vitesse de décrochage. En effet, l'aile delta utilisée jusqu'ici sur les Mirage III impose des vitesses trop élevées lors de l'atterrissage. En 1965, trois prototypes d'une version biplace désignée Mirage III F2 sont commandés.
Le premier prototype, propulsé par un Pratt et Whitney TF30, fait son vol inaugural le 12 juin 1966. À la fin de l'année, il a démontré sa capacité à atteindre Mach 2 et à atterrir en moins de cinq cents mètres. En parallèle, Dassaut a fait réaliser une version monoplace plus petite et équipée du même réacteur que le Mirage IV : l'Atar 9 K. Désigné Mirage F1 01, l'avion fait son premier vol le 23 décembre 1966. Début janvier 1967, lors de son quatrième vol, il atteint Mach 2.
Malgré les bonnes performances du Mirage III F2 et du Mirage G à géométrie variable qui en est dérivé (premier vol effectué le 18 novembre 1966), le budget de l'Armée de l'Air ne permet pas de financer ces projets. Finalement, seul le programme du Mirage F1 est retenu, avec la commande de trois avions de pré-série :
le Mirage F1 02 équipé d'un réacteur Atar 9 K 31 (premier vol le 20 mars 1969) ;
le Mirage F1 03 équipé du réacteur définitif Atar 9 K 50 (premier vol le 18 septembre 1969) ;
le Mirage F1 04 équipé du système d'arme définitif (premier vol le 17 juin 1970).
Le premier avion de série décolle le 15 février 1973 et est livré un an plus tard.



