МиГ-21бис е изтребител-прехващач, изпълнен по нормална аеродинамична схема с триъгълно нискоразположено крило и стреловидно оперение. Фюзелажът е полумонокок и в предната му част се намира регулируем въздухозаборник с централен конус, в който е монтирана радиолокационната станция (РЛС). Въздухозаборникът се разделя на два канала, минаващи покрай кабината на пилота, които в последствие отново се сливат в един общ канал. От двете страни на фюзелажа в носовата част има противопомпажни створки, а в горната й част, пред кабината, се намира отсек с бордово радиоелектронно оборудване (БРЛО). Под него е разположена нишата на предната стойка на колесника. В опашната част на фюзелажа се намира спирачен парашут с площ 16 м2. Фюзелажът има експлоатационен разьом за леснота при демонтиране и монтиране на двигателя.
Кабината е херметическа от вентилационен тип. Въздух за кабината се отвежда от компресора, а температурата и налягането в кабината се регулира автоматично.
Фанарът е състои от козирка и отваряем капак. Предното стъкло на козирката е силикатен триплекс с дебелина 14 мм, а двете странични стъкла са с дебелина 10 мм. Отварящата се част е с дебелина 10 мм и е изработена от термоустойчиво стъкло и се отваря ръчно надясно. Аварийната система за отваряне е пиротехническа и се задейства от ръчката за катапултиране на креслото или от ръчката за аварийно изхвърляне на фанара. В случай на отказ на пиротехническата система, тя е дублирана с механична. За отстраняване на обледеняването на предното стъкло, самолетът е оборудван със система за разпръскване на етилов спирт с обем 4,5 л. На първите модификации МиГ-21 са монтирани катапултни кресла "СК", но поради недостатъчна надеждност, то е заменено от КМ-1. Самолетът е оборудван с три въздушни спирачки - две предни и една задна.
Крилото е изпълнено по схема с един надлъжник и има ъгъл на стреловидност 57 градуса по предния ръб. Относителната му дебелина на профила в основата е 4,2%, а удължението е 2,5. Профилът му е ЦАГИ, скоростен, симетричен. Върху горната му повърхност има малък аеродинамичен гребен. В основата на крилата, на долната им повърхност са монтирани фарове, които на някои модификации могат да бъдат заменени от фотоапарати за водене на въздушно разузнаване. Елероните с осева аеродинамична компенсация имат противофлатерни тежести. Дебелината на обшивката на крилото е от 1,5 до 2,5 мм. Задкрилките са от прост тип и са с правоъгълна форма. Ъгъли на отклонение - 25 и 45 градуса (при кацане).
Системата за издухване на пограничния слой (СПС) представлява въздушен канал с тънкостенна обвивка, по който въздухът, напомпван от двигателя (зад компресора) обдухва задкрилките през специален отвор.
Хоризонталните стабилизатори са и кормила за посока. В краищата им са монтирани противофлатерни тежести. Профилът е симетричен, NA6A, а общата площ е 3,94 м2. Ъгълът на отклонение на стабилизаторите е 55 градуса.
Вертикалният стабилизатор има стреловидност по предния ръб - 60 градуса. В горната му част е разположено радиооборудване и опашната аеронавигационна светлина, а в средната част е монтиран отсег с БРЛО. Ъгълът на отклонение на вертикалното кормило е 60 градуса.
Шасито е триопорно. Основните стойки имат по едно колело КТ-82 за самолети от по-ранната модификация или КТ-90Д за по-новите модели, които са оборудвани с метало-керамични спирачки.
Силовата установка е на базата на Р-25-300 с тяга: