Первый опытный образец МиГ-23Б, «32–24/1», на площадке школы младших авиационных специалистов (ШМАС) авиации ПВО на юго-западе Москвы.

На втором этапе к государственным испытаниям присоединился НИИ ВВС. Если первые истребители МиГ-23 вызывали массу нареканий, то МиГ-23Б лётчики приняли с одобрением, и истребитель-бомбардировщик получил в целом положительную оценку. Отмечалось, что возможности КИГ позволяют выполнять взлёт и посадку на меньших скоростях и углах атаки, чем у других машин, что упрощает освоение самолёта лётчиками — взлётно-посадочные режимы напоминают ту технику, к которой они привыкли во время обучения в училищах на тренировочных машинах. В числе достоинств назывались продуманность бортового оборудования, облегчавшего работу лётчика, высокая степень его автоматизированности, весьма эффективным сочли прицел АСП-17С. При атаке наземной цели подвижная прицельная марка автоматически отклонялась на вычисленные углы упреждения в продольном и боковом направлении, отрабатывая текущие параметры полёта и указывая точку на земле, куда в данный момент упали бы бомбы или пришлась пушечная очередь или залп НАР. Точность атаки позволял повысить отличный обзор, дававший запас времени на прицеливание и устранение ошибок (у Су-17 первых моделей объёмистая носовая часть быстро накрывала цель, и на прицеливание оставались секунды). Вместе с тем, отмечалось, что МиГ-23Б в пилотировании несколько сложнее Су-17, который «прощал» летчику многие ошибки и самостоятельно выходил из ряда опасных режимов.

МиГ-23Б легко разгонялся, выходя на сверхзвук, и на высоте достигал скорости 1800 км/ч. У земли он мог выполнять сверхзвуковой полёт со скоростью до 1350 км/ч (это значение являлось предельным по скоростному напору и нагрузкам), а с 3000 кг бомб — до 1000 км/ч. Перегоночная дальность с тремя подвесными баками ПТБ-800 на десятикилометровой высоте, наивыгоднейшей по расходу топлива, составляла 2110 км. При определении дальности полёта на малой «боевой» высоте А. В. Федотов на МиГ-23Б с заправкой только внутренних баков преодолел маршрут Жуковский — Ахтубинск, пройдя на высоте 600 м более 1000 км. Практический радиус действия самолёта с тремя ПТБ-800 и тонной бомб (две ФАБ-500М-62) на двухсотметровой высоте составлял 610 км, с трёхтонной бомбовой нагрузкой (шесть ФАБ-500М-62) — 400 км.

Унаследованные от истребителя особенности компоновки МиГ-23Б и положение точек подвески обусловили не очень удовлетворительное размещение ракетного вооружения. Снарядить блоки НАР на передних подфюзеляжных узлах мешали стойки шасси, из-за чего пришлось внести изменение в инструкцию, запрещавшую ранее подвешивать уже заряженные блоки. Ракеты С-24 на этих узлах находились в опасной близости от подвесного бака, который мог быть повреждён мощным факелом ракетного двигателя, и перед стрельбой его следовало сбросить. А Х-23 с соплами, размещёнными по бокам, при пуске вообще могли прожечь тонкостенный бак, из-за чего их приходилось вешать только под крыло. Однако и при пуске с подкрыльевых держателей ракеты сходили всего в полуметре от среза воздухозаборников, оказывавшихся в горячей волне пороховых газов, грозившей помпажем и остановкой двигателя. Для увеличения опасно близкого расстояния и подфюзеляжные, и подкрыльевые держатели пришлось установить с небольшим развалом в стороны, отклонив наружу на 6°. Для предотвращения помпажа была введена автоматика отсечки топлива (АОТ), при нажатии на боевую кнопку на несколько секунд переводившая двигатель на «малый газ», а через 2,4–5 с после схода ракет с направляющих он снова выходил на режим. При стрельбе из пушки и пуске НАР опасных явлений не возникало, хотя сход тяжёлых С-24 и ощущался «просадкой» оборотов и минутным повышением температуры.

Самолёт «32–24/1» поступил в ШМАС с перекрашенным бортовым номером и контрастными чёрно-белыми полосами для траекторной кинофотосъёмки при сбросах бомб и пусках ракет. На балочных держателях — пусковые установки АПУ-13М для ракет «воздух — воздух» Р-3С.

По окончании испытаний опытные образцы МиГ-23Б оставались на лётной базе ОКБ в Жуковском и использовались при отработке оборудования и систем новых модификаций. Опытные экземпляры, проходящие сложные испытательные программы, часто имеют короткий век. Судьба образцов МиГ-23 в этом отношении сложилась удачно: и истребитель «23–11/1», и ударный «32–24/1» прошли весь цикл испытаний без аварий и серьёзных поломок. Самолёт «23–11/1», отлетавший более 200 часов, в июне 1971 г. передали в Музей ВВС в Монино. Первый опытный «32–24/1» долгое время служил в качестве летающей лаборатории, выполнив последний полет 24 июня 1976 г. После выработки ресурса его передали в школу младших авиационных специалистов (ШМАС) на юго-западе Москвы в качестве наглядного пособия; впоследствии он стал экспонатом ныне совершенно заброшенного авиационного музея на Ходынском поле.

В 1971–1972 гг. на базе МиГ-23Б разрабатывался, но не был реализован проект фронтового разведчика МиГ-23Р с фотоаппаратами в носовой части фюзеляжа. В закабинном отсеке планировалось размещать сменное разведывательное оборудование — станции радиотехнической, тепловой или телевизионной разведки. На бумаге остался и проект «32–24УБ» — учебно-тренировочный вариант истребителя-бомбардировщика.

Ещё до окончания испытаний МиГ-23Б началась подготовка к его серийному производству. Его наладили на московском заводе «Знамя труда», где строили истребители МиГ-23. Освоение истребителя-бомбардировщика в производстве происходило без особых проблем. Основные технологии, материалы и конструктивные новшества были отработаны в ходе выпуска истребителей МиГ-23С, сходных по планеру. В агрегатно-сборочных цехах добавились только стапеля сборки новой носовой части и общей сборки фюзеляжа, а также баков № 1А и № 4, которые истребители ранних серий не имели (одновременно бак-отсек № 4 внедрялся на запускаемом в производство МиГ-23М).

В 1972–1973 гг. завод построил 24 истребителя-бомбардировщика МиГ-23Б (изделие 24). Большую часть самолётов сдали ВВС, несколько машин оставались в распоряжении ОКБ и ЛИИ, где они служили для разнообразных испытаний, связанных с доводкой новых систем и агрегатов. Причиной ограниченного выпуска машины стал дефицит двигателей АЛ-21Ф-3. К их производству, помимо московского завода «Салют», подключили Омский моторостроительный завод им. П. И. Баранова, но в первую очередь АЛ-21Ф-3 шли на Су-17М и, особенно, Су-24, пользовавшиеся особым приоритетом. Объёмы производства всё равно были недостаточны; из-за ограниченного поначалу ресурса и выявленных в эксплуатации дефектов двигатели часто приходилось менять. Их постоянно не хватало и доходило до того, что самолёты в строевых частях простаивали без двигателей. В конечном счёте заместитель Генерального конструктора Г. Е. Лозино-Лозинский настоял на возобновлении оснащения МиГ-23Б «проверенными» силовыми установками «Союза».

К этому времени МКБ «Союз» довёл до приемлемого уровня надёжности свой двигатель Р-29-300 (изделие 55), и его производство развернули на московском заводе «Красный Октябрь» (до 1963 г. — завод № 500). В послевоенные годы это предприятие выпускало турбореактивные двигатели ВК-1 для МиГ-15бис и МиГ-17, Р-11Ф-300 для истребителей МиГ-21, а затем — Р-27Ф2-300 для МиГ-23. Заводское конструкторское бюро приказом МАП № 175 от 30 апреля 1966 г. было переименовано в ТМКБ «Союз», а его главным конструктором стал К. Р. Хачатуров. Именно ему передали для доводки и совершенствования все материалы по семейству двигателей Р-29-300, спроектированному в КБ-300 под руководством С. К. Туманского. Для увеличения выпуска Р-29-300 его производство наладили также на Уфимском моторостроительном заводе.