Первый полет и основной объем заводских испытаний на самолетах СМ- 12/1 и СМ-12/3 провел летчик-испытатель ОКБ К.К.Коккинаки. Максимальная скорость «тройки» достигла 1930 км/ч, а практический потолок – 18.000 м. Истребитель набирал потолок за 3,2 минуты. Таким образом, значительное приращение по скорости (почти 500 км/ч) и по высоте было достигнуто фактически только за счет введения регулируемого воздухозаборника без существенных конструктивных изменений, повышения взлетного веса и значительного увеличения мощности силовой установки.
В конце декабря «единичка» и «тройка» были предъявлены на госипытания, которые начались 17 марта 1958 г. Ведущим инженером был майор К.М.Осипов, ведущими летчиками-испытателями – полковники Л.М.Кувшинов, С.А.Микоян и В.С.Котлов. В облете самолета участвовали генерал-лейтенант А.С.Благовещенский, полковники Молотков, Ю.Антипов, Г.Т.Береговой, М.С.Твеленев и Захаров, выполнившие на двух машинах свыше 150 полетов.
Фактически СМ-12/1 использовался в роли летающей лаборатории для испытания двигателей, а на СМ-12/3 выполнялась основная программа, в ходе которой он показал максимальную скорость 1926 км/ч на высоте 12.500 м. Практический потолок увеличился до 17.500 м. Скороподъемность хоть и снизилась (высоту 10.000 м истребитель набирал за 2 мин, а 15.000 м без подвесных баков – за 4 мин), но все же вдвое превосходила таковую у F-100C. Самолет мог кратковременно выходить на высоту 20.000 м со сверхзвуковой скоростью.
Вместе с тем выявилась и некоторые недостатки, в перечне которых была, в частности, валежка при полете на больших числах М, особенно при перегрузке. Значительно возросли усилия при парировании крена в случае отказа гидроусилителей на сверхзвуковых скоростях, что делало полет небезопасным. Но в целом машина по технике пилотирования мало отличался от МиГ-19С. При стрельбе неуправляемыми реактивными снарядами удалось обеспечить устойчивую работу двигателей без применения локализато- ров и клапанов сброса топлива.
В целом по боевым качествам СМ-12 немного уступал опытным самолетам Е- 2А и Е-5, и его внедрение в серийное производство могло произойти гораздо быстрее, т к. большинство основных элементов планера и систем оставались прежними. Комиссия ГК НИИ ВВС все же рекомендовала вопрос о запуске в серию и принятии на вооружение самолета СМ-12 решить после устранения выявленных недостатков и проведения контрольных испытаний образца, подготовленного для серийного производства.
Однако в это время заканчивались летные испытания Е-6, ставшего прототипом для будущего легендарного фронтового истребителя МиГ-21. Одновременно форсированными темпами продолжалась его доводка для внедрения в серийное производство. «Шестерка» обладала более высокими характеристиками, чем самолеты семейства МиГ-19. На этом фоне работы по СМ-12 и другим модификациям МиГ-19 велись, в основном, для подстраховки в случае возможных неудач с МиГ-21.