Требования дальнейшего увеличения маневренности, вызванные появлением в США истребителей четвертого поколения, привели к созданию в 1974г. облегченного истребителя МиГ-23МЛ ("23-12", индекс "Л" означает "легкий"). Новый самолет получил усовершенствованную автоматическую систему управления, РЛС "Сапфир-23МЛ", теплопеленгатор ТП-23М, систему опознавания "свой-чужой" СРО-2М и индикатор на лобовом стекле (ИЛС) АСП-17МЛ. Передняя стойка шасси была усилена, четырехсекционный предкрылок был заменен на более легкий и прочный трехсекционный, узлы внешней подвески - перенесены с воздухозаборника на фюзеляж. В качестве основного вооружения предполагалось использовать новые УР с увеличенной дальностью, однако ко времени появления истребителя эти ракеты еще не были доведены и МиГ-23МЛ получил обычные Р-23 и Р-24. На самолете был применен двигатель Р-35-300, развивающий тягу 8 550 кгс и 13 000 кгс на форсажном режиме, обеспечивающий улучшенные разгонные характеристики (по этому параметру МиГ-23МЛ превзошел истребитель Дженерал Дайнэмикс F-16). Были внесены изменения и в конструкцию планера - укорочен (и почти "сошел на нет") форкиль, снят четвертый фюзеляжный топливный бак и несколько укорочен сам фюзеляж. Самолет находился в серийном производстве с 1976 по 1981гг. По мнению летчиков (в том числе и принимавших участие в боевых действиях) МиГ-23МЛ явился уже вполне полноценным, по-настоящему "боевым" истребителем.

В 1977г. был создан самолет МиГ-23П ("23-14") - облегченный перехватчик для войск ПВО, вариант МиГ-23МЛ, способный вести борьбу с низколетящими целями. В конце 1970-х годов началось серийное производство самолета МиГ-23МЛД ("23-18") - последней и наиболее совершенной модификации в семействе "двадцать третьих". Появлению этого самолета предшествовала большая работа, проведенная ОКБ в сотрудничестве с ЦАГИ. Была поставлена задача существенно улучшить маневренность и управляемость самолета на больших углах атаки, т.е. тех режимах, от овладения которыми в значительной степени зависит успех в маневренном воздушном бою. Исследовалось несколько компановок нового самолета, отличающихся размерами и формой уступов на носке крыла, а также формой вертикального оперения. В конечном итоге была выбрана компоновка, обеспечивающая существенное улучшение маневренности при минимальной модификации планера.

На крыле самолета МиГ-23МЛД, у самого его основания, вырос второй "клык", на ПВД был установлен генератор вихрей в виде небольшой пластины (длина 365 мм) с острыми кромками, а отклоняемый носок крыла, управляемый ЭВМ, получил возможность устанавливаться в оптимальное положение в зависимости от режима полета. Истребитель оснащался усовершенствованной РЛС, способной одновременно обнаруживать и сопровождать до шести воздушных целей и усовершенствованной системой автоматизированного управления с земли, в которой использовалась помехозащищенная линия передачи данных. Для предотвращения сваливания устанавливалась система СОС-3-4, облегчающая пилотирование на больших углах атаки. Для защиты на малых высотах от ПЗРК и УР с ИК системами самонаведения на неподвижных частях крыла установили своеобразные аэродинамические гребни, выполненные из последовательно расположенных блоков контейнеров с ИК ловушками.

В вариант МиГ-23МЛД часть ранее построенных самолетов более старых модификаций переоборудовалась прямо в войсковых рембазах. До появления на вооружении советских ВВС и войск ПВО самолетов четвертого поколения МиГ-23МЛД являлся, практически, единственным отечественным фронтовым истребителем, способным "на равных" вести воздушный бой с американскими самолетами F-15, F-16 и F/A-18. МиГ-23МЛД получили на вооружение УР Р-24Р, Р-24Т, в дальнейшем были установлены высокоманевренные ракеты ближнего боя Р-73 с ИК системой самонаведения. Помимо самолетов МиГ-23 наземного базирования велись работы по палубной модификации МиГ-23А, предназначенной для размещения на атомном авианесущем корабле с катапультным взлетом. Самолет и корабль так и не были построены, однако МиГ-23 все же внес свой вклад в создание отечественной палубной авиации: один из серийных МиГов в конце 1970-х годов был переоборудован в летающую лабораторию и использовался в ЛИИ для отработки методики посадки на палубу корабля, а также для создания принципиальных элементов авиационно-технической системы корабля (АТСК).