עם ההתחלה הרשמית של תוכנית הפיתוח החל גם תהליך בחירת המנועים ומערכות המטוס. המנוע שנבחר, טומנסקי R-15B-300, כבר עבר את תהליך הפיתוח והשתתף בתוכניות הפיתוח של Ye-150, Ye-152. על מנת להתאים את המטוס החדש לדרישות התאוצה, המהירות, הטווח וכושר הנשיאה, תוכנן שימוש בזוג מנועים ואופן ההתקנה של המנועים נבחן לעומק. בידי המפתחים היו כמה אפשרויות: התקנה של שני מנועים זה אחרי זה בדומה ל-I-320, זה מעל זה בדומה ל-אינגליש אלקטריק לייטנינג, מנועים המותקנים בכנפיים בדומה ל-SR-71 או צד בצד בדומה ל-A-5 ויג'לנטי. התקנת מנועים אחד מעל לשני הייתה מגדילה את גובה גוף המטוס ומסבכת את תחזוקת המנוע; התקנות של מנוע זה אחרי זה הייתה מחייבת את הארכת גוף המטוס, התאמת החלק האחורי של גוף המטוס לטמפרטורות של מעל 800 מעלות צלזיוס בגלל הפליטה של המנוע השני, והייתה מקטינה את נפח תאי הדלק; התקנת מנועים בבתי מנוע על גבי הכנפיים הייתה דורשת את חיזוק הכנפיים והגדלתם וכן גורמת לסכנה של היווצרות מומנט סיבסוב חזק מדי במקרה של כשל של מנוע בהמראה. על כן נבחר אופן התקנה של צד בצד. כמו כן הושמט כונס אוויר האף המעוגל שהיה אופייני למטוסי מיג בזמנו, ובמקומם נבחר עיצוב של שני כונסים מרובעים בצידי המטוס. עיצוב זה אפשר קיצור המבנה הקדמי של המטוס ללא הקטנת נפח מכלי הדלק.
הכנף הטרפזית שנבחרה למטוס נבחנה במנהרות הרוח של מכון TsAGI ונמצאה מתאימה לתנאי מאך 2 ו-3 ובעלת יכולת נשיאת דלק טובה. המהנדסים החליטו להתקין את הכנף גבוה בגוף המטוס (צורת התקנה שמכונה התקנת כתף), וכך התאפשרה בניית מבנה כנף פשוט יחסית שתרם לחוזק הכנפיים, פישט את מבנה תיבת הכנף והשתלב עם מבנה הכונסים. אופן התקנה זה גם אפשר למטוס לשאת טילי אוויר-אוויר גדולים.
מערכות המטוס, כגון מערכות הקשר, זיהוי עמית טורף, כיסאות מפלט, בקרת מיזוג, מחשבים אנלוגיים, היגוי ופס הניהוג מרחוק, הותאמו כולם מתוכניות Ye-152/Ye-150, אך מערכות רבות החלו את פיתוחם עקב דרישות פיתוח המטוס. דוגמה לכך היא פיתוח חליפת הניווט המשולבת - "Polyot" (ברוסית:"полёт" או "טיסה") שכללה מחשב ניווט, מערכת למדידת נתוני אוויר, מערכת ניווט וזע"ט משולבת. החליפה המלאה יכולה הייתה להסתמך על משואות ניווט והכוונה לנחיתה, להטיס את המטוס לאורך מסלול מוגדר מראש, להפעיל את מערכות הביון, ולבצע גישה אוטומטית לנחיתה ללא התערבות הטייס.
דגם המכ"ם שנבחר לדגם היירוט (Ye-155P) הוא ה-RP-S Smerch, שיוצר במקור לטופולב Tu-28 ושודרג במטוס החדש. בדגם זה הוספה יכולת שידור באורכי גל של 2 סנטימטר, מה שהפך אותו לעמיד יותר בפני שיבוש. הטיל שנבחר תחילה היה K-9M, אך בהמשך הפיתוח הועדף K-40, שכלל גוף טיטניום שהיה קל יותר ועמיד יותר בטמפרטורות גבוהות, והיה יכול להיות מותאם לשאת ראש ביות מכ"ם חצי אקטיבי או ראש ביות חום שאפשר למטוס לשאת את שני הסוגים ובכך להתמודד גם אמצעי נגד של האויב. המטוס תוכנן לפעול בתוך מסגרת מערכת ההכוונה ליירוט מהקרקע 1-Vozdookh (ברוסית:"воздух-1" או "אוויר-1") שהייתה בשירות בכל מדינות ברית ורשה.
עבור גרסת הביון (Ye-155R) נדרשה בחינה של הטכנולוגיות הקיימות בשביל להחליט על חליפת הביון הדרושה. חיל האוויר שלל את שש תצורות הביון שהוצעו לו, ודרש יכולת מודיעין מתקדמת יותר. חיל האוויר הציע שלוש תצורות עיקריות: דגם מודיעין חזותי/אלקטרוני המשלב מספר מצלמות ומערכת הקלטת אותות, דגם מודיעין אלקטרוני ייעודי, ודגם מודיעין חזותי שמשתמש במצלמת מכ"ם. החלופות של חיל האוויר היו בעייתיות שכן הן דרשו טיסה בגבהים בינוניים ומהירות נמוכה יחסית מעל אזור המטרה, מה שהיה מסכן את המטוס. בשביל לפצות על כך נדרש פיתוח של מצלמות חזקות במיוחד. בנוסף לכך פותחה מערכת ניווט SAU-155 שהותאמה גם למטוס היירוט. בגרסת הביון שולב מחשב דיגיטלי ראשון מסוגו בברית המועצות עבור הטייס האוטומטי.
בנוסף לשני הדגמים שנדרשו על ידי הוועדה המרכזית, נבחנו עוד מספר דגמים למטוס: מטוס יירוט שתוכנן להמריא ממסלולים קצרים בעזרת שני מנועי עזר סילוניים המותקנים באמצע הגוף; מטוס-אם הנושא מל"ט ביון שהיה אמור להיות משוגר סמוך להגעה לאזור המאוים בטילים ואז להאט ולהנמיך כדי לאפשר יעף צילום כדרך להתמודדות עם המחסור במצלמות מתאימות לגובה רב; דגם נושא טילי אוויר-קרקע כבדים. פיתוח דגם זה הוקפא אך נבחן פעמיים נוספות בשנות ה-70; מטוס ביון עם כנף עם גאומטריה משתנה, למרות היתרונות של עיצוב זה נראו מבטיחים, עיצוב הכנפיים נכשל בבחינות היציבות והקשיחות ולכן נפסל; כמו כן נבחן עיצוב של מטוס מנהלים על קולי שהיה יכול להמריא ולנחות על מסלולים לא סלולים. למרות העניין הרב במטוס מצד בכירים במפלגה, הטווח המוגבל ומחיר המטוס גרמו לביטול הפיתוח.
שלבי תכנון מתקדמים וייצור ראשוני.
לאחר התכנון הראשוני החל שלב התכנון המתקדם בו המהנדסים יכלו להתמקד בגורמים שונים של המטוס. בגלל הלחץ שהופעל על ידי הוועדה המרכזית להכין את הדגם בגודל מלא עד שנת 1962, הוחלט להתמקד בגרסת היירוט.
בגרסה זאת הוחלט על שילוב מכלי קצה כנף גדולים כדי להאריך את יכולת השיוט במהירות גבוהה. מייצב הכיוון האחיד לא היה יכול, על פי החישובים, להקנות את היציבות הנדרשת במהירות גבוהה, ועל כן נבחר עיצוב של שני מייצבי כיוון המוטים מעט החוצה כדי לשכך צימוד אינרציאלי וגלגול הולנדי. ליצירת יציבות נוספת הוספו סנפירים בחלק התחתון של זנב המטוס וסנפירים על מכלי קצה כנף.
מרכיב העיצוב שקיבל את מרב תשומת הלב בשלב זה, היו החומרים שהמבנה היה צריך להיות מיוצר מהם. בטיסה במהירויות גבוהות הטמפרטורה של גוף המטוס הייתה צפויה לעלות לרמות בהן סגסוגות אלומיניום, שהיו החומר העיקרי בייצור מטוסים באותו הזמן, היו מאבדות מהאלסטיות שלהן. אף על פי שהמבנה הפנימי ותאי הדלק יכלו תאורטית להיות מיוצרים מאלומיניום, הדרישות לבידוד על ידי חומרים שלא היו זמינים בברית המועצות, מנעו זאת.
אחת האלטרנטיבות הייתה השימוש בסגסוגות טיטניום בדומה למטוס SR-71, אך קשיים בעיבוד המתכת שנטתה להיסדק לאחר ריתוך, גרמו למהנדסים להעדיף שלא להשתמש בה. האלטרנטיבה היחידה שנותרה הייתה השימוש בפלדת אל חלד שאפשרה ניצול תהליכי ריתוך אוטומטיים שהיו נפוצים בתעשייה.
בשלב זה החלו ניסויים והתאמות של המערכות השונות במטוס, ומכונים רבים השתתפו בשלב זה. מנועי המטוס טסו טיסות ניסוי מרובות במטוסי Ye-150 ו-Ye-152 הניסיוניים, חליפות האוויוניקה, הניווט, המכ"ם והטילים הוטסו בשלושה מטוסי Tu-104 ובמטוס Tu-110. מכוני הנדסת חומרים פיתחו וניסו סגסוגות חדשות של טיטניום, פלדת אל חלד ואף אלומיניום. כמו כן החל מפעל גורקי (מפעל מספר 21) להסב את פס הייצור שלו לטכנולוגיות החדשות. בסוף שנת 1963 היה מוכן מטוס הניסוי הראשון של גרסת הביון.
תוכניות הניסוי ובחינות הקבלה.
תוכנית הניסוי של מטוסי הביון.
מטוס הניסוי הראשון, Ye-155R-1 מספר זנב 1155, יצא מהמפעל בדצמבר 1963, לאחר שהורכבו בו המנועים החלו ניסוי ההסעה, והמטוס המריא לראשונה ב-6 במרץ 1964. בטיסות הניסוי הראשונות התגלתה תופעה מסוכנת של גלגול במהירויות עבר-קוליות שלא ניתן היה להשתלט עליו גם בהטיה מלאה של מאזנות המטוס. כמו כן התגלו רעידות באזור הכנפיים שנגרמו מתנודה של הדלק במכלי קצות כנפיים, ובשל כך הוסרו המכלים. תופעות נוספות החלו להופיע קרוב למהירויות המרביות במערכת המנוע, למשל המבער נטה להיכבות בגבהים רמים, והיה גורם לנזק לבית המנוע ולמערכות המנוע עצמו. כמו כן התגלו מערבולות זרימה בכונסים החדישים במהירויות ובזוויות התקפה גבוהות שגרמו לגידול הגרר ולביצועי כונס מופחתים. כמו כן נצילות הדלק ומשקל ההמראה של המטוס היו גדולים מהמצופה, מה שהשפיע לרעה על הטווח המבצעי של המטוס.
בשנת 1965 הושלם מטוס הניסוי השני של גרסת הביון – Ye-155R-2 שכלל מספר שינויים מהדגם הקודם. במהרה הצטרפו אליו עוד שני מטוסי ניסוי של גרסת היירוט ויחדיו הם שימשו לניסוי ושיפור מערכות המטוס המשותפות. פער נוסף שהתגלה הוא הצבע ששימש את המטוס. צבע רגיל לרונדל של חיל האוויר הסובייטי היה משחיר ומתקלף לאחר מספר גיחות במהירות גבוהה, אף על פי שזה לא פער מבצעי גדול, על פי החוק הבינלאומי יש חובה לסמן כלי טיס צבאיים ולכן פותח צבע מיוחד שיכל לשרוד את התנאים הקיצוניים.
לאחר השלב הזה תוכנית הניסוי של גרסאות הביון והיירוט הופרדו והתבצעו על ידי צוותים שונים. בנוסף נדרשו עוד מספר דגמי ניסוי, אך המפעל של משרד התכנון מיג החל כבר לבנות את דגמי הניסוי של מטוס המיג-23 ולכן הייצור של דגמי הניסוי הנוספים והמטוסים הטרום-סדרתיים עבר כולו למפעל גורקי. פס הייצור במפעל תוכנן לייצור הדגמים הסדרתיים ולכן היה צריך לעבור התאמות לייצור דגמי הניסוי שכוללים מבנה שונה והתאמות למכשור ייחודי. באמצע שנת 1965 יצא ממפעל גורקי מטוס הניסוי השלישי של גרסת הביון (הוא גם נחשב למטוס סדרת קדם-ייצור הראשון) Ye-155R-3 מספר זנב 3155 שהיה הרבה יותר דומה למטוסי סדרת הייצור וכלל את התושבות למערכות הצילום ושימש לבחינתם. השדרוגים במטוס כללו הטיית הכנפיים ב-2 מעלות כלפי מטה, הוספת משקולות איזון בקצות הכנפיים בצורת סיגר, הארכה של הגה הכיוון של המטוס וחיתוך הקצה העליון שלו בזווית וכן הוספת מיכל נתיק גדול לנשיאה בגחון המטוס. המיכל הזה היה באורך של כמעט חצי מאורך המטוס וכלל 5,300 ליטרים דלק.