Zastosowanie thumb|left|MiG-25PD w locie Samolot najpierw trafił do służby w lotnictwie radzieckim w wersji rozpoznawczej w 1969 roku, począwszy od 10 samodzielnego rozpoznawczego pułku lotniczego (10 ORAP). Zadebiutował bojowo jesienią 1971 roku, kiedy cztery samoloty bez znaków rozpoznawczych przebazowano do Kairu w Egipcie, pilotowane przez radzieckich pilotów i obsługiwane przez radzieckich techników. Do 1972 roku przeprowadziły 13 lotów rozpoznawczych nad Izraelem, bez strat. Myśliwce przechwytujące weszły do użycia od kwietnia 1970 roku, początkowo w pułkach położonych w pobliżu zakładów w Gorkim. Używany był w ZSRR, Algierii, Bułgarii (4 samoloty; wycofany), Indiach, Iraku, Libii, Syrii, a w latach 1971-1975 w Egipcie.
Na samolocie E-266 oraz E-266M w latach 1965-1976 ustalono 25 rekordów świata, m.in. prędkości 2980 km/h i wznoszenia 25 000 m w 2,5 min. 31 sierpnia 1977 roku pilot doświadczalny Aleksandr Fiedotow wzniósł się zmodyfikowanym Mig-25 E-266M na wysokość 37 650 m (123 523,58 stóp).