Вскоре после того, как в начале 1954 года МиГ-19 был запущен в серийное производство, стало ясно, что большое число недостатков этой машины требует внесения серьёзных изменений в конструкцию. МиГ-19 был запущен в серию лишь для того, чтобы части ВВС поскорее получили сверхзвуковой истребитель, невзирая на его технические проблемы.
Самым серьезным недостатком истребителя была малая эффективность рулей на сверхзвуковых скоростях. Это было связано с тем, что при достижении критического числа М эффективная поверхность рулей уменьшалась из-за влияния ударной волны. ОКБ МиГ и ЦАГИ провели ряд работ, направленных на решение этой проблемы, но Советский Союз нашел ответ за океаном. У американского конкурента МиГ-19, истребителя Норт Американ F-100 "Супер Сейбр", использовалось цельноповоротное горизонтальное оперение. Было решено, что использование такого оперения на "девятнадцатом" позволит улучшить его управляемость на сверхзвуковых скоростях.
К работам над усовершенствованным вариантом приступили в начале 1954 года. Был доработан опытный самолет СМ-9/2 и построена ещё одна экспериментальная машина, СМ-9/3. В отличие от СМ-9/2, созданного путём переделки СМ-2/2, СМ-9/3 был совершенно новым самолетом.
Внешне СМ-9/3 имел ряд заметных отличий от серийного МиГ-19. Маленькую антенну у носового колеса перенесли назад, за нишу шасси, установив ее по центру самолёта. Изменились очертания фонаря кабины, а мачту радиоантенны по правому борту сдвинули вперед.
Вооружение на СМ-9/3 осталось таким же, как и на МиГ-19: две пушки НР-23 в корне крыла и пушка НР-37Д в носовой части по правому борту. Но на фюзеляже, в районе стволов пушек сделали усиливающие накладки.
В усовершенствованную систему управления включили необратимый бустер БУ-14МС и автомат регулировки управления АРУ-2, счётно-решающее устройство которого в зависимости от высоты и скорости полёта регулировало отклонение стабилизатора и нагрузку на ручку управления. Установка этой системы потребовала оснастить самолёт гаргротом сверху фюзеляжа, в котором проходили линии управления. Кроме того установили резервную электромеханическую систему АПС-4 на случай полного выхода из строя гидросистемы. Ещё одним внешним отличием стала маленькая антенна сверху хвостовой части фюзеляжа.
Конструкция хвостового оперения была полностью переработана для установки цельноповоротного руля высоты. Рулём высоты осуществлялось управление только по тангажу. Руль направления имел весовую компенсацию. МиГ-19 имел два располагавшихся рядом воздухозаборника у основания стабилизатора, а на СМ-9/3 (и МиГ-19С) остался только один. На СМ-9/3 был удалён приёмоотвегчик СОД-57 по правому борту, а площадь форкиля несколько увеличена. Воздухозаборник с правой стороны форкиля сдвинули назад, а обтекатель системы "Сирена-2" на киле увеличили в размере.
Первоначально СМ-9/3 имел такой же руль направления, как и серийный МиГ-19, но в процессе заводских испытаний его площадь уменьшили. В таком виде руль направления использовался в дальнейшем на всех серийных самолётах. В начале испытаний СМ-9/3 нес знаки национальной принадлежности на задней части фюзеляжа и киле, но затем звезды с фюзеляжа исчезли.
Новый самолёт оснастили третьим под-фюзеляжным тормозным щитком, одновременно ограничив угол отклонения боковых щитков. Это было сделано, чтобы избежать резкого заброса на большие углы атаки, возникавшего, когда зона разряжения от выпущенных щитков меняла характер обтекания горизонтального оперения.
СМ-9/2 был доставлен в Жуковский в начале сентября и 16 числа его поднял в воздух ГА. Седов. Программу заводских испытаний провели Седов, Г.К. Моссолов, К.К. Коккинаки и В.Л. Нефёдов. В ходе этих испытаний Г.К. Моссолов достиг на СМ-9/2 скорости М 1,462 на высоте 9300 м.
За СМ-9/2 последовал СМ-9/3, который доставили в Жуковский 26 августа 1955 года. К.К. Коккинаки впервые поднял эту машину в воздух 27 ноября 1955 года. За исключением мелких деталей СМ-9/3 был очень похож на МиГ-19С раннего выпуска.
Оба опытных самолёта участвовали в заводских испытаниях и позже были переданы ЛИИ. Испытания показали, что управляемость самолёта заметно улучшилась, а лётные характеристики остались почти такими же, как у МиГ-19, особенно в том, что касалось его скорости и скороподъемности. После завершения государственных испытаний опытные машины передали НИИ ВВС для проведения войсковых испытаний.
