Mimo to właśnie na podstawie Mirage’a G8 postanowiono zbudować nowy samolot. Nowa maszyna oznaczona najpierw jako Mirage IIIF2, a później krócej Mirage F2 bazowała na G8, ale była wyposażona w stałe skrzydła. Pierwszy lot maszyny odbył się 12 czerwca 1966 roku. Napęd stanowił amerykański dwuprzepływowy silnik odrzutowy Pratt & Whitney TF30 o ciągu 82,4 kN z dopalaniem. Maszyny seryjne były wyposażone w zmodyfikowaną przez SNECMA odmianę tych silników oznaczonych jako TF306, które posiadały większy ciąg 88,3 kN. W 1966 na samolocie tego typu przekroczono prędkość 2 Ma w locie poziomym.
Mirage F2 był odpowiednikiem opracowywanego w tym samym czasie brytyjskiego samolotu BAC TSR-2.
Korzystając tylko z własnych środków finansowych, wytwórnia Dassault Aviation opracowała dwie pomniejszone wersje samolotu Mirage F2. Pierwszy z nich, Mirage F3, miał być myśliwcem przechwytującym, a lżejszy Mirage F1 – samolotem wielozadaniowym. Zbudowano jeden prototyp samolotu Mirage F1, który został oblatany 23 grudnia 1966 roku, a już w styczniu 1967 roku przekroczył on prędkość 2 Ma.