Το 1963, το γενικό επιτελείο της Γαλλικής Αεροπορίας εξέδωσε προδιαγραφές για ένα νέο μαχητικό αεροσκάφος, με ικανότητα διείσδυσης σε εχθρικό εναέριο χώρο σε χαμηλό υψόμετρο, σε όλες τις καιρικές συνθήκες. Το αεροσκάφος θα πρέπει να ήταν επίσης ικανό για υπερηχητική αναχαίτιση και με ικανότητα χρήσης περιορισμένου μήκους και απροετοίμαστων διαδρόμων προσγείωσης, με ταχύτητα προσέγγισης κάτω των 140 κόμβων (260 χλμ/ώρα).
Στις 21 Νοεμβρίου 1963, η εταιρεία Dassault που δήλωσε έτοιμη να δημιουργήσει ένα τέτοιο προηγμένο μαχητικό, υπέγραψε το συμβόλαιο ανάπτυξης, που ονομάστηκε προσωρινά Mirage III F, ενώ θα ήταν εξοπλισμένο με κινητήρα Snecma TF106. Αν και η άτρακτος προερχόταν από Mirage III, η χαρακτηριστική πτέρυγα δέλτα αντικαταστάθηκε από οπισθοκλινή, τοποθετημένη στη ράχη της ατράκτου.
Το 1965 παραγγέλθηκαν τρία διθέσια πρωτότυπα Mirage F2 για δοκιμές και εξέλιξη. Το Ισραήλ, που αναζητούσε ένα αεροσκάφος ικανό να διεισδύσει μέχρι και 800 χιλιόμετρα μέσα σε εχθρικό εναέριο χώρο ενδιαφέρθηκε για το project, αλλά δεν υπήρξε κάποια συμφωνία με τη Γαλλία. Τελικά στις 12 Ιουνίου 1966, στο Ιστρ, ο δοκιμαστής Ζαν Κουρώ απογείωσε για πρώτη φορά το Mirage III F2 01, εξοπλισμένο όμως με αμερικανικό κινητήρα Pratt & Whitney TF30.
Πρέπει να σημειώσουμε πως ήταν το πρώτο αεροσκάφος της γαλλικής εταιρείας στο οποίο τα δεδομένα των δοκιμαστικών πτήσεων μεταδίδονταν στο έδαφος με τηλεμετρία, αυξάνοντας την υποστήριξη που μπορούσε να προσφέρει η ομάδα δοκιμών στον πιλότο σε πραγματικό χρόνο, βελτιώνοντας έτσι την ασφάλεια και τη συνέχεια των δοκιμών. Στις 29 Δεκεμβρίου, το αεροσκάφος έφτασε σε ταχύτητα Mach 2 και προσγειώθηκε σε μήκος διαδρόμου μόλις 480 μέτρων, εκπληρώνοντας τις περισσότερες από τις σχεδιαστικές προδιαγραφές του, και βάζοντας τα θεμέλια για ένα ικανότατο μαχητικό, αν έφτανε σε παραγωγή.
Όμως, ως αποτέλεσμα της απόφασης της Γαλλίας για απόσυρση της από το στρατιωτικό σκέλος του ΝΑΤΟ, οι προτεραιότητες της Πολεμικής Αεροπορίας άλλαξαν, οπότε το πρόγραμμα του Mirage F2 ωθήθηκε να αποδώσει ένα μαχητικό αναχαίτισης και όχι κρούσης. Αυτό οδήγησε στο Mirage F3, ένα μονοθέσιο αεροσκάφος με κινητήρα Pratt&Whitney/Snecma TF 306.
Οι διαφορές μεταξύ του F2 και του F3 ήταν σημαντικές. Το Mirage F2 είχε εκπέτασμα 10,50 μέτρα και μήκος 17,50 μέτρα, ενώ το μικρότερο F3 είχε εκπέτασμα 9,04 μέτρα και μήκος 16. Μικρότερο ήταν και το βάρος, με το Mirage F2 να είναι στα 9.800 κιλά, ενώ το Mirage F3 ήταν στα 9.30. Αντίστροφά το Mirage F3 έφθανε πάνω από 2,2 Mach από τα 2+ του F2, συνέπεια και της χρήσης ισχυρότερου κινητήρα, του P&W/Snecma TF 306 E 10 με ώση 101,4 kN, από τα 84,3 του P&W TF 30.
Ωστόσο, το Mirage F3 δεν ολοκληρώθηκε ποτέ, καθώς ακολούθησε μια ακόμη αλλαγή στον ορισμό των προτεραιοτήτων από την Γαλλική Αεροπορία, ενώ τότε ήταν υπό διερεύνηση και αεροσκάφη με πτέρυγα μεταβλητής γεωμετρίας (την εποχή εκείνη πολλά υποσχόμενη). Θεωρήθηκε επίσης πολύ ακριβό και υπερβολικά εξαρτώμενο από την αμερικανική τεχνολογία όσον αφορά τον κινητήρα, σε μια περίοδο που οι γαλλο-αμερικανικές σχέσεις δεν ήταν και στην καλύτερή τους κατάσταση.
Το Νοέμβριο του 1967, μετά τις αρχικές επιτυχημένες πτήσεις του πρώτου Mirage G, με πτέρυγα μεταβλητής γεωμετρίας –το οποίο επίσης είχε σχεδιαστική συγγένεια με το F2- η ανάπτυξη των Mirage F2/F3 σταμάτησε, αν και συνεχίστηκε η χρήση ενός αεροσκάφους σε ρόλο δοκιμής όπλων με βάση έναν νέας γενιάς κεντρικό ψηφιακό υπολογιστή.
