עם קבלת המטוס החל תהליך של למידה ופיתוח שיטות לחימה חדשות למטוס. אם כי המטוס גם החל לסבול מהתרסקויות מסתוריות הן בישראל והן בצרפת אבל בגלל שאלה קרו בגובה והמטוסים שהתרסקו נשרפו כליל, ניסיונות להתחקות אחר הגורם לתאונות עלה בתוהו. בנובמבר 1963 מטוס שחק 53 שהוטס על ידי רן פקר במהלך הנמכה לנחיתה בסוף משימת צילום מוצלחת בה הוא ביצע צילום בסיני ומצרים, ולפתע המנוע כבה. עם כל הסיכונים הטייס ניסה להניע מחדש ואחרי שנסיונותיו לא צלחו, הוא כיוון את המטוס לנחיתת גחון אבל אז התבהר לטייס שהמטוס עלול להתרסק במושב בני ראם. במקום להפליט הטייס החליט להישאר במטוס. בגובה 500 רגל אחרי שהתוודה שחלף את היישוב הטייס הפליט. המטוס גלש לנחיתת גחון מוצלחת. תוך סיכון עצמי הטייס ניגש למטוס, כיבה את כל המפסקים ושלף את סרטי הצילום בשביל להציל את התוצרים מהמשימה במקרה והמטוס יישרף. אך במזל המטוס לא עלה באש ואף היה בר הנצלה. בגלל שהמנוע של המטוס לא ניזוק מההתרסקות ניתן היה לחקור את האירוע. נמצא כי אטמים במזרקי הדלק יוצרו מחומר לא נכון, נפרצו והדלק זרם החוצה ולא הגיע למנוע. בגלל ממצאי החקירה הזאת, היצרן של המנוע שילם פיצויים לחיל האוויר הישראלי והצרפתי והחל בשדרוגים של מנועי אטאר 09B לסטנדרט של 09C. מטוס שחק מספר 53 שופץ וחזר לטיסה שנתיים מאוחר יותר.
קרב האוויר הראשון התרחש ב-22 באוגוסט 1963, בו שני מטוסי שחק יירטו רביעייה של מטוסי מיג-17. הם פגעו בשניים מהמיגים אבל לא הצליחו להפיל אותם. מקרה זה מדגים את הסוגיה של קטלניות המטוס שעלתה באותה התקופה בגלל בעיות במערכות המכ"ם. המכ"ם תוכנן למשימות יירוט של מפציצים בגובה רב והיה רגיש מאוד להחזרים מהקרקע, והתקשה להינעל ולשמור על נעילה בגבהים מתחת ל-30,000 רגל מעל הקרקע ו-10,000 רגל מעל הים כמו כן המכ"ם נטה להתחמם יתר על המידה ולהפסיק לעבוד. בגלל אלה קריאת המרחק לטובת כוונת CSF-95 לרוב הייתה לא אמינה ולכן חישובים של הכוונת היו לא טובים וזה הקשה על היכולת של מטוסי השחק לפגוע במטוסי האויב. כמו כן התותח דרש מדידת מרחק מתחת ל-700 מטר בשביל אפשור ירי. תרגילים עם מטרות נגררות העלו שיעור פגיעה נמוך של 1.9 אחוז. אימונים מפרכים ובניית ניסיון בקרבות אוויר העלו את שיעור הפגיעה ל-22 אחוז אבל לפחות בארבעה קרבות אוויר בין 1963 ל-1965 מטוסי השחק לא הצליחו להפיל את מטוסי האויב.אחד הגורמים לבעיות אלו היו הפגזים שתוכננו להפיל מפציצים כבדים ועל כן כללו השהייה לפני התפוצצות, בשביל שיתפוצצו בתוך גוף המפציץ. אבל עם מטוסי קרב קטנים הפגזים היו חודרים דרך גוף המטוס ומתפוצצים בעברו השני, עם פוטנציאל נזק נמוך יותר. לאחר שגורם זה התגלה, ההשהייה הוסרה מהפגזים ועלתה קטלניותם. אבל התורם המשמעותי ביותר לקטלניותו של המטוס היה השינוי שהותקן כתוצאה של עבודת "צוות האיפוס שחק" שפיתח פתרון פשוט ויעיל לבעייתיות המכ"ם. במקום שפעולת התותח תהיה תלויה בקריאת מרחק מהמכ"ם, הותקנו שני מפסקים על גבי ידית המצערת בתא הטייס. שני המפסקים היו מדמים קריאת מכ"ם במרחקים של 600, 400 ו-250 מטר בהתאם למצבם, ועל ידי כך היו מאפשרים את התותח ומשנים את הערכים לחישוב בכוונת CSF-95. כל שהטייס היה צריך לעשות זה להעריך את מרחק המטוס ולקבוע את זה בשני המפסקים בסטיק. לאחר שיפור זה שיעור הפגיעה עלה כמעט מיידית ל-35 אחוז ועם הזמן שינוי זה הוכיח את עצמו כמשמעותי מאוד בהפלות של מטוסי השחק של חיל האוויר.
ב-13 בנובמבר 1964 מטוסי השחק ביצעו את התקיפה הראשונה שלהם על סוללות ארטילריה סוריות ברמת הגולן ודיווחו על תוצאות טובות.
ההפלה הראשונה של מטוס מיראז' בשירות חיל האוויר הישראלי ובעולם התבצעה על ידי יורם אגמון ב-14 ביולי 1966 בעת פעולת תגמול כנגד סוריה באזור תוואי תעלת הטיית מקורות הירדן. המטוס שהופל באש תותחים היה מיג-21. ב-29 בנובמבר של אותה שנה הופל לראשונה במזרח התיכון מטוס בטיל אוויר-אוויר; היה זה מיג-19 שהופל בטיל מאטרה R.530 "יהלום" לאחר שחדר למרחב האווירי של ישראל. מטוס מיג 19 נוסף הופל באש תותחי המיראז'.
מלחמת ששת הימים.
במלחמת ששת הימים היו לחיל האוויר 65 מטוסי מיראז' במצב שמיש, כשליש מכוחו של החיל. בבוקר ה-5 ביוני 1967 שוגרו רביעיות של מטוסי מיראז' חמושים בפצצות 500 ק"ג לתקיפת שדות התעופה המצריים קהיר-מערב, ביר תמדה, בני סואף, פאיד, חלואן, אבו סווייר ואינשאס. 12 מטוסי מיראז' בלבד נותרו להגנת שמי ישראל. בגל התקיפה השני על שדות התעופה התקיפו מטוסי המיראז' את אבו סווייר, בילבייס, ע'רדקה וקהיר מערב, שבו נתקלו במטוסי מיג 21 שהפילו את מטוסו של סרן . הוא נאלץ לנטוש מעל שטח מצרים ונרצח על ידי כפריים שלכדוהו ליד העיירה זקזיק. גל התקיפה השלישי שוגר כנגד שדות תעופה בירדן, מצרים ובסוריה. שני מטוסים נפגעו בסוריה: מטוסו של סגן נפגע מעל דמשק והתרסק, מטוסו של רס"ן עמיחי שמואלי נפגע אך הצליח לשוב לישראל, שם נטש שמואלי הפצוע בהצלחה.
ב-8 ביוני 1967 תקף (ככל הנראה בשל טעות בזיהוי) צמד מטוסי מיראז' (בשילוב ספינות טורפדו של חיל הים) ספינת ביון אמריקאית במה שנודע כתקרית ליברטי. מתוך 294 מלחים אמריקאיים שהיו על הסיפון, נהרגו 34 ונפצעו 172. בסך הכל הפילו המיראז'ים 48 מטוסי אויב בקרבות אוויר במלחמת ששת הימים, בהם מטוסי מיג מדגמים שונים, איליושין Il-14 ומטוסי הוקר הנטר עיראקים.
מלחמת ההתשה.
המיראז'ים נטלו חלק חשוב בהשגת העליונות האווירית באזור התעלה במלחמת ההתשה. קרב האוויר רימון 20 התרחש ב-30 ביולי 1970, כאשר מטוסי פנטום ישראליים תקפו מכ"ם מצרי באזור מפרץ סואץ, ושש רביעיות של מטוסי מיג 21 מוטסים בידי טייסים סובייטיים הוזנקו כנגדם. המיראז'ים שהגנו על הפאנטומים הפילו שלושה מיגים, ושניים נוספים הופלו בידי פאנטומים. הייתה זו מבוכה לסובייטים שהוצבו במצרים במטרה להגן עליה מפני חיל האוויר הישראלי. והביאה באופן אירוני לשמחה בחיל האוויר המצרי שטייסיו טענו שהסיבה להפסדיהם בקרבות היא הנשק הרוסי שנחות ביחס לנשק המערבי ולא יכולתם האישית.
במהלך תקופה זאת במטוסי שחק ישראלים הוחלפו המכ"מים במשקולות איזון וכן החל שדרוג מנועייהם מדגם 9B ל-9C, מה שדרש שינוי מבני באזור הזנב בגלל שינוי מבנה נחיר הפליטה של המנוע. כמו כן בגלל האמברגו הצרפתי על ישראל וכן תחילת הגעת מטוסי העיט (A-4) והקורנס (F-4), מטוסי השחק נחשבו לחשובים מדי בשביל לסכנם במשימות אוויר קרקע, ולכן יועד יותר ויותר למשימות עליונות אווירית וטייסות המפעילות אותו התמחו בקרבות אוויר בצורה בלעדית כמעט.
מלחמת יום הכיפורים.
מטוסי המיראז' השתתפו בחלק נכבד מ-117 קרבות האוויר שהתרחשו במלחמת יום הכיפורים, ואחת ההפלות המפורסמות היא של טיל אוויר-קרקע "קלט" ששוגר ממפציץ טופולב Tu-16 מצרי לעבר תל אביב ביומה הראשון של המלחמה.
יציאה משירות, מכירה ותצוגה.
ב-1976 הוקמה טייסת 253 ("טייסת הנגב") והועברו אליה מטוסי המיראז' והנשר של טייסת 101 המטוסים מאז שימשו בעיקר כמטוסי אימון בקורס אימון מבצעי. מאוחר יותר הוקמה טייסת 254 ("מרכז המדינה") והמיראז'ים הועברו אליה.
במלחמת שלום הגליל כבר החלו מטוסי המיראז' לצאת משירות פעיל, ושימשו רק כעתודה להגנה על שמי ישראל אם כי המטוס הוצא משירות אחרי מטוסי הנשר (מיראז' 5) היותר חדשים. סך הכל טייסי חיל האוויר רשמו לזכותם 282.5 הפלות במטוסי שחק.
19 מטוסי שחק חד מושביים, ושלושה דו-מושביים נמכרו בשנת 1982 לארגנטינה כחלק מהשלמת אבדותיה במלחמת פוקלנד.
במוזיאון חיל האוויר בחצרים מוצג מטוס מספר 111 שנצבע כמספר 159 בעל 13 ההפלות (שאחת מהן של טיל אוויר-קרקע מדגם "קלט") ומטוס מספר 158 שהוחזר מארגנטינה ולו 12 הפלות (אף-על-פי שסומנו עליו במקור 13 סימני הפלה).
אוסטרליה.
אוסטרליה בחנה את המיראז' 3A בשנת 1960. הזמנה ל-30 מטוסי מיראז' 3O נחתמה באוקטובר. הזמנה זאת במקור יועדה לדגם משודרג של המטוס שכלל מכ"ם Ferranti Airpass II ומנוע רולס-רויס RB.146 (שניהם זהים לאלה באינגליש אלקטריק לייטנינג). מטוס אחד מעשרת מטוסי מיראז' 3A עברו הסבה לבחינת המערכות והמנוע אבל בגלל שהשיפור בביצועים היה צנוע הוחלט להשתמש במנועי אטאר וחליפת האוויוניקה של דגם E. ההזמנה המקורית ל-30 מטוסים הוגדלה ל-100 מטוסים חד מושביים, ועשרה מטוסים דו-מושביים. חוץ משני מטוסים שיוצרו בצרפת ונמסרו באפריל 1963, כל שאר המטוסים (ומנועייהם) יוצרו ברישיון באוסטרליה, כאשר אחרון המטוסים נמסר בשנת 1968. בשנת 1970 הזמנו עוד שישה מטוסים.
היו שתי גרסאות של דגם מיראז' 3O, המיראז' 3O(F), 3O(A). מטוסים מתת-דגם F כללו מכ"ם סיראנו 2A עם מודי אוויר-אוויר בלבד, אם כי כל המטוסים מתת-דגם זה שודרגו לסטנדרט של תת-דגם F. בשנת 1979 מטוסי מיראז' 3O עברו השבחה בה הותקנו להם כנפיים חדשות, מנועייהם שודרגו, ושופרה חליפת האוויוניקה של המטוס ואף כללה ציין לייזר לפצצות חכמות. מטוסים אלו פרשו משירות בשנת 1988 והוחלפו על ידי ה-F/A-18 הורנט. 50 מהמטוסים נמכרו לפקיסטן בשנת 1990 לטובת תוכנית השדרוג ROSE, אבל 12 היו במצב כה טוב שהפקיסטנים החליטו לא לשדרג אותם ולהכניסם לשירות כמו שהם.
שווייץ.