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歼8飞机是新中国自行研制成功并装备使用的第一种高空高速歼击机，实现了从仿制向自行设计的技术跨越。该型机的研制，在新中国航空工业发展史上具有里程碑的意义，但其发展过程本身也充满了艰难曲折的经历。
1960年，世界上第一种超声速战略轰炸机B-58开始进入美国空军服役，这个消息也很快传到大洋彼岸的中国。而此时的中国正经历着内忧外患，整个国家处于建国以来最为艰难的时期。昔日的老大哥苏联此时已经反目为仇，而以美国为首的西方敌对势力也正在进一步加强对华封锁，妄图将红色政权一举扼杀。全天候高空高速突防并可以携带核武器的B-58轰炸机，无疑成为了当时中国国家安全的一个潜在的重大威胁。B-58轰炸机的最大飞行速度达到了M2.0以上，升限也超过了18000米。要想成功拦截B-58轰炸机，歼击机必须具备更高的飞行性能，同时还要配备优良的制导武器和能够遂行全天候作战任务的机载雷达等电子设备才行。中国空军迫切要求航空工业部门能够提供具有拦截这种轰炸机能力的先进歼击机。
而此时的中国航空工业仅仅只有仿制成功亚声速米格-17歼击机的经验，正在仿制的超声速米格-19歼击机由于存在着非常严重的生产质量问题，一时无法投入使用。之前在“大跃进”的激情下自行设计的“东风”104、“东风”107和“东风”113等几种歼击机尽管战技术性能指标一个比一个高，但技术水平的差距使得这些不切实际的项目又一个接一个地下马而化为泡影。
在试图自主掌握先进歼击机设计技术的尝试失败之后，中国航空工业认识到在尚未建立专业配套的科研机构、试验条件以及飞机设计人员本身缺乏足够经验和必要基础技术储备的情况下，想设计出性能先进的作战飞机只是空谈而已。恰在此时，苏联出于自身需要中国在国际政治上支持的考虑，于1961年2月同意向中国转让米格-21歼击机及其配套发动机和空空导弹的生产技术许可。米格-21这种飞行速度超过两倍声速的飞机到来，为中国自行研制性能更好的新型歼击机带来了契机。
1961年8月，在吸取“大跃进”时期航空工业发展受挫的经验教训基础上，集中了国内主要的飞机设计人才成立了沈阳飞机设计研究所，并随即开始集中力量对引进的米格-21飞机进行全面的“技术摸透”工作。该所一方面为仿制该机做必要的技术准备，另一方面也希望通过对米格-21飞机分析来学习国外先进作战飞机的设计思想，掌握高空高速歼击机的设计技术，从而达到自行设计新型歼击机的目的。在摸透米格-21飞机技术的同时，沈阳所还广泛研究了从台湾起义过来的F-86F战斗机和在防空作战中打下来的RF-101高速侦察机、F-4B多用途战斗机等美制战机的技术特点，以便兼收各家之所长。通过长达三年时间的卧薪尝胆，为自行研制新型歼击机打下了扎实的技术基础。
引进的米格-21飞机服役后，在最初参加的几次高空作战中暴露出了飞机留空时间短、高空高速性能不足、高空安定性与机动性差、无火控雷达搜索目标困难等诸多缺陷，另外在火力配备和起飞着陆性能上也有待加强和改善。针对米格-21飞机的这些缺陷以及中国空军部队的作战要求和当时国外战斗机技术发展情况，并且结合当时了空军和海军航空兵部队与美制战机的作战经验，沈阳所于1964年5月提出了在米格-21飞机的基础上，自行设计一种飞得更高、更快、续航时间更长、看得更远、火力更强的新型歼击机。该机以美国的F-4、F-104战斗机和F-105战斗轰炸机为作战对象，并把B-58轰炸机作为主要的攻击目标，主要用于要地防空拦截及通过空战夺取制空权。
当时沈阳所提出了两个新机方案：一个是单发方案，采用全新研制的大推力涡轮风扇发动机（涡扇6型）、两侧进气布局、机头内安装大直径的火控雷达天线；另一个是双发方案，采用两台加大推力的涡轮喷气发动机（涡喷7甲型）、机头进气布局、进气道中心调节锥内安装直径较小的火控雷达天线。虽然单发方案在技术上较为先进，也符合当时世界战斗机及航空发动机发展的潮流，但对国内技术水平来说过于超前而难以实现；双发方案则立足于已掌握的米格-21飞机所配套的涡喷7型发动机基础上进行增大推力的改进，因而技术实现上风险较小，容易保证飞机的性能和研制进度，成功的把握要更大一些。
此外对于飞机进气道形式的选择问题上，是采用机头进气方式还是两侧进气方式，在当时也发生了很多争论。两侧进气方式虽然有利于在机头布置大直径的火控雷达天线，提高飞机作战能力，但当时国内对这种进气道布局缺乏经验，技术上没有什么把握；而米格-21的机头进气方式虽然难以布置大直径火控雷达天线，但通过之前对米格-21飞机的“技术摸透”工作，对机头带有中心激波锥这种进气方式进行了比较深入研究，基本掌握了其调节机理，技术实现起来不会有大的差池。
在权衡当时国内的技术条件及对新机研制难度、进度和风险大小等多方面的因素后，沈阳所最终确定了更为稳妥的机头进气双发方案。该方案被命名歼击八型飞机，简称为歼8飞机。后来的事实也表明当时选择双发方案是一个正确的决策，这成为歼8飞机能够研制成功的重要前提。同期开始研制的涡扇6型发动机在后来遇到了相当多的技术难题，一直拖到20世纪80年代都未能定型使用。
无独有偶，苏联米高扬-格列维奇设计局也曾设计出一种外形与歼8飞机极其相似的Е-152А飞机。当时米高扬在研制Е-152高空高速全天候截击机时，为防止新型大推力发动机可能出现技术困难而延误整个飞机的研制进度，专门设计了Е-152А这种双发备份方案。结果后来为Е-152飞机配套的大推力发动机果然非常不可靠，各种故障不断，导致最后飞机的试飞不得不停止。而与Е-152平行研制的Е-152А飞机则因为采用了技术成熟的现成发动机，整个试飞过程却较为顺利。
1965年5月，歼8飞机的战术技术指标和研制任务被正式批准，要求突出了高空高速性能、增大航程、提高爬升率和加强火力。飞机外形则基本参照米格-21飞机，采用机头进气、大后掠角小展弦比三角翼、下置平尾和双腹鳍的总体气动布局形式。机载武器包括翼下吊挂两枚“霹雳”2型红外制导空空导弹，前机身装两门30毫米航空机炮。飞机设计人员没有对当时国外流行的“要导弹不要机炮”的潮流盲目跟风，而是根据国内技术现实和部队飞行员的建议采取了导弹和机炮并重的方式，避免了美苏等国当时在这方面所走的弯路。飞机上计划安装新研制的204型机载火控雷达以及比较全面的机载设备，具有在夜间和复杂气象条件下遂行作战的能力。
相比米格-21飞机，歼8飞机的各项飞行性能指标和作战能力均有较大改善。尽管受到当时国内航空技术水平的制约，歼8飞机从外形上看似乎只是米格-21的“简单放大”，但飞机设计人员实际上并没有完全拘泥于米格-21飞机的条条框框，而是结合飞机性能指标的要求，利用之前“摸透”的技术基础，对米格-21飞机所存在的缺陷有针对性地进行了部分改进。如机翼前缘后掠角加大了3度，以提高飞机的最大飞行速度；通过采用机翼前缘扭转结构来减小飞行阻力，有利于增大飞机航程和作战半径；相对较钝的机头进气道唇口可以改善低速飞行条件下的进气特性，而无级调节的中心锥则能够在超声速飞行时更好地保持进气效率并减小激波阻力，提高飞机的高空加速性能。
歼8飞机的设计工作全面展开，然而新机的研制道路也并非一帆风顺。研制伊始，歼8飞机就遇到了两件对研制工作带来非常不利影响的事情。第一件是经验丰富的主管设计师黄志千在赴西欧考察途经埃及开罗上空时因客机失事不幸罹难，这给新机研制的技术工作带来了很大损失。第二件就是翌年爆发的“文化大革命”运动，在当时政治运动的冲击下，沈阳所和沈阳飞机厂的科研生产几乎陷于停顿，严重干扰和拖延了歼8飞机的研制工作。虽然遇到很多的不利影响和困难，但是歼8飞机的研制仍然继续坚持而没有中断。
1968年6月，歼8飞机的第一架原型机终于完成总装，1969年7月5日首飞成功。然而首飞上天并不意味着飞机研制的成功，之后歼8飞机开始了长达十年的艰难试飞历程。由于这是新中国自行设计的第一种高空高速歼击机，当时国内航空科研水平低、技术储备不足以及试验条件简陋，使试飞中出现的跨声速振动、后机身温度过高和发动机空中停车等一系列问题长期无法得到解决，导致飞机的试飞进度一拖再拖，迟迟不能定型投产装备部队。直到1980年3月，历经坎坷的歼8飞机才基本达到了原定的性能指标得以通过设计定型，1981年开始装备空军作战部队。
当北约发现歼8飞机后，为方便识别按惯例为其起了一个绰号“长须鲸”。后来当两侧进气的歼8II飞机出现后，也沿袭了“长须鲸”的绰号。不过为了与之前机头进气的歼8飞机相区别，歼8飞机的绰号改为“长须鲸”A，而歼8II飞机则为“长须鲸”B。
歼8飞机从开始研制到最后设计定型，整整花费了15年的时间，导致服役时性能远远落后于同时代国外先进战斗机的水平。此时原先设定的F-104、F-105、B-58等作战对象大都已经退役，歼8飞机将面对的是性能更为先进的第三代战斗机。该机研制步伐之所以如此缓慢，除了十年动乱的干扰因素外，最主要是由于当时国内航空科研水平低下、技术储备和预先研究严重不足以及缺乏经验没有掌握新机研制规律等原因造成的。
根据最初的战技术要求，歼8飞机应该是一种装备火控雷达的全天候歼击机，可以在夜间和复杂气候条件下升空进行作战。但在设计定型的时候却并没有实现全天候作战能力，这是由于当时中国的电子工业技术水平落后，为其配套的204型机载火控雷达迟迟研制不出来，无法赶上歼8飞机的研制进度。为了能使歼8飞机早日装备部队形成战斗力，更快缩小现有国产战机与国外先进战机之间的巨大性能差距，不得不分两步完成歼8飞机的研制。第一步先研制安装226型雷达测距器的歼8昼间型飞机，第二步再研制安装204型雷达的歼8全天候型飞机。
1976年3月，全天候型开始改进设计并被命名为歼8I飞机。全天候型主要是在歼8飞机的基础上改进了部分机载设备、弹射救生方式以及武器配置，而飞机外形和结构则基本保持不变。加装换装的机载设备包括新研制出来的204雷达、短波单边带电台、近程导航设备、无线电高度表、机尾告警器等多项电子装备。其改进的核心内容是204型机载火控雷达，对小型空中目标的探测距离不小于15千米；采用了固定风挡和座舱盖分离的新座舱，座舱盖向后上开启；配套HTY-3型火箭弹射救生系统，实现了“零高度、小速度”条件下的安全救生；将两门30毫米30-1型航炮改为一门高射速的23毫米23-III型双管航炮，射速达到3000发/分钟，大大提高了机炮空中射击的命中率；机翼挂架可以挂载四枚“霹雳”2乙型红外制导空空导弹，提高了飞机的近距导弹攻击能力。
经过8年多时间的研制，1984年11月，歼8I飞机完成了所有试飞科目并达到设计要求。1985年7月，航空产品定型委员会正式批准设计定型，开始投入小批量生产。1987年5月， 歼8昼间型和歼8I全天候型飞机共同获得了国家科技进步特等奖。然而随着80年代后期歼8Ⅱ飞机的研制成功，以及性能更先进的苏-27飞机的引进，早期生产的那些歼8和歼8I飞机还没有装备使用几年就已经过时了，成了“食之无肉、弃之可惜”的鸡肋。除了飞行速度和高度尚能与国外第三代战斗机相抗衡外，整体作战能力已经相差很远，因此歼8I飞机仅仅生产了少量后就于1987年停产。但对于当时的中国来说，并没有足够的资金来大量采购装备更先进的苏-27飞机，而自行研制的性能有较大改进的歼8Ⅱ飞机还存在某些缺陷和不足，改进完善也尚需时日。为了保持必要的全天候作战能力，只能想办法改进现役的歼8飞机，充分发挥现有装备的特长，延长其实际使用寿命。 对于昼间型的歼8飞机来说，由于机载电子设备过于老旧，安装机载火控雷达需将整机的直流供电系统改为交流供电系统，加之其弹射救生方式采用的是不够安全可靠的带离式弹射救生系统，涉及的改装工作量比较大。因此歼8昼间型飞机的效费比差，已失去改装意义。而歼8I全天候型飞机的服役时间短，机体剩余寿命长，而且飞机本身系统也更具备改装条件，因此当时的改进都是针对现役的歼8I飞机。考虑到当时的作战需求和国内实际技术情况，确定了以改进火控雷达、改善机载武器和增加飞机自卫能力为主的总体改装方案，以实现用小的改进成本代价实现较大幅度的作战能力提高。
由于改进后的歼8I飞机的设备配置有了较大变化，因此当时被赋予了新的机型代号。而在改进项目计划确定的时候，歼8系列飞机的改进型代号已经排到了“D”，于是按照这一代号顺序，改装后的歼8I飞机被命名为“歼8E”。而改型代号排在其之前的歼8D和之后歼8F，均是在两侧进气的歼8Ⅱ基础上的改进而来，因此就形成了“旧机型号夹在新机型号序列里”的这一特殊情况。
歼8I飞机原配套的204型雷达，是中国自行研制的第一种单脉冲体制机载火控雷达。但由于国内的电子工业技术水平落后的拖累，204型雷达从20世纪60年代开始研制，直到70年代末仍未设计定型，最初装备的歼8飞机不得不安装简易的雷达测距器。尽管204型雷达的研制后来获得了成功，但雷达本身的性能比较差，搜索探测距离近，工作可靠性低，与同期国外战斗机的火控雷达相比存在着很大的技术差距，无法适应现代空战的要求。歼8Ⅱ飞机就是鉴于204型雷达天线尺寸较小，无法进一步提高雷达探测性能，因此更换为搜索距离更远的208型雷达。该雷达是中国第一种具备拦射能力的机载火控雷达，对小型歼击机目标的搜索距离达到30千米以上。但雷达的天线尺寸也随着性能的提高而增加到了700毫米左右，在机头进气道内完全无法安装。因此歼8Ⅱ的机体结构进行了大幅改动，全新设计了前机身，将机头进气更改为两侧进气，以便能容纳下大尺寸的雷达天线。
提高机载雷达探测性能成为歼8E飞机改进的重要内容，但由于不能对飞机的机头进气方式进行改动，这就限制了火控雷达天线的大小。换装的雷达天线必须要能塞入机头进气道的中心锥里才行；雷达的各分机设备也要尽可能简单紧凑，能容纳在机头设备舱的狭小空间里。当时国内能够满足这一安装要求且性能较好的新雷达只有歼雷7型雷达。歼雷7型雷达是在之前研制的317型雷达基础上发展而来的。1966年7月，机载雷达研究所在参照缴获的美制F-105战斗轰炸机所装备的R-14A型雷达残骸基础上，开始研制317型多功能歼击轰炸雷达。这是国内研制的第一部多功能单脉冲机载火控雷达，具有空对空/空对地探测、地形测绘、地形回避和对地目标测距等多种功能，能够完成航炮、火箭弹、导弹的对空、对地瞄准攻击以及航空炸弹的对地水平轰炸、俯冲轰炸和鱼雷的投放。1980年1月，317型雷达完成了全部试飞项目并通过了技术鉴定，获得当年三机部科研成果二等奖。但由于原定配套使用的强5乙型鱼雷机这时已经停止研制，317型雷达及其采用晶体管电路代替电子管电路的小型化改进型317甲型雷达均由于没有其他装机使用对象，也随之终止研制而未能投入生产。
317型雷达尽管下马了，但在研制过程中取得的技术成果被运用到后来研制的“歼雷”7型雷达上。“歼雷”7型雷达是一种单脉冲多功能雷达，是20世纪80年代中国研制出来的性能最好的小型歼击机火控雷达。1978年，成都飞机设计所开始对米格-21МФ飞机进行测绘设计，研制全天候的歼7Ⅲ飞机。在机载火控雷达的选择上通过对国产雷达和米格-21МФ飞机原装的РП-21型雷达进行了分析对比，认为国内现有的317甲型雷达的技术水平与之总体相当，一部分性能还有所超出，因此决定对РП-21型雷达不进行仿制，而改为在317甲型雷达基础上按照歼7Ⅲ飞机的装机要求进行相应改进，并将新雷达命名为“歼雷”7型雷达。
由于对空作战为主的歼击机和对地攻击为主的强击机两者对机载火控雷达的使用要求不同，承担雷达研制任务的机载雷达研究所更改了317甲型雷达的相关部分电路，以搜索显示、截获目标、光学瞄准等空对空功能为主，测定地面目标斜距等空对地功能为辅；加大雷达发射机功率以提高探测能力，雷达搜索距离达到20千米以上；并根据歼7Ⅲ飞机采用机头进气方式的安装条件，对雷达的各分机组成和安装形式进行了更改，以满足歼7Ⅲ飞机的装机要求。“歼雷”7型雷达与当时歼6甲飞机装用的“射雷”2型雷达相比，具有体积小、重量轻、耗电省、探测距离远、抗干扰能力强等优点。
由于歼8E的雷达天线安装在机头进气道的中心锥内，为了保证雷达的探测性能不受飞机进气道的屏蔽，借鉴之前在歼7Ⅲ飞机上采用的技术措施，歼8E较好地解决了进气道内壁假目标反射回波干扰的问题，保证了雷达装机后的正常工作。采用现有的歼雷7型雷达不但提高了歼8E飞机的全天候作战性能，也降低了改装成本、缩短了改装时间。
歼8I飞机原先的主要武器是机翼下挂载的四枚“霹雳”2乙型红外制导空空导弹。这种导弹虽然比早期“霹雳”2型导弹的各项性能均有所提高，但仍存在着跟踪探测距离短、抗干扰能力差和可靠性低等缺点。为了加强飞机的空中近战格斗能力，歼8E飞机换装了当时国内新改进研制出来的“霹雳”5乙型导弹。该导弹是在“霹雳”2型的基础上，参照美制AIM-9D“响尾蛇”空空导弹残骸进行改进研制的一种红外制导空空导弹。继承了“霹雳”2型弹径小、重量轻的优点，同时又针对其暴露出的缺陷，采用了当时国内掌握的新技术对导弹进行了改进完善：红外导引头更换为灵敏度更高的压缩空气致冷硫化铅探测器，具有抗背景辐射干扰的能力，探测距离和跟踪性能较“霹雳”2型有了显著的提高；配用新型红外或无线电近炸引信，解决了之前导弹引信早炸的问题。1986年9月，“霹雳”5乙型空空导弹通过设计定型，之后由陕西汉中空空导弹厂投入批量生产，成为80年代后期和90年代歼7、歼8系列改进型飞机的主要导弹武器。
1960年，世界上第一种超声速战略轰炸机B-58开始进入美国空军服役，这个消息也很快传到大洋彼岸的中国。而此时的中国正经历着内忧外患，整个国家处于建国以来最为艰难的时期。昔日的老大哥苏联此时已经反目为仇，而以美国为首的西方敌对势力也正在进一步加强对华封锁，妄图将红色政权一举扼杀。全天候高空高速突防并可以携带核武器的B-58轰炸机，无疑成为了当时中国国家安全的一个潜在的重大威胁。B-58轰炸机的最大飞行速度达到了M2.0以上，升限也超过了18000米。要想成功拦截B-58轰炸机，歼击机必须具备更高的飞行性能，同时还要配备优良的制导武器和能够遂行全天候作战任务的机载雷达等电子设备才行。中国空军迫切要求航空工业部门能够提供具有拦截这种轰炸机能力的先进歼击机。
而此时的中国航空工业仅仅只有仿制成功亚声速米格-17歼击机的经验，正在仿制的超声速米格-19歼击机由于存在着非常严重的生产质量问题，一时无法投入使用。之前在“大跃进”的激情下自行设计的“东风”104、“东风”107和“东风”113等几种歼击机尽管战技术性能指标一个比一个高，但技术水平的差距使得这些不切实际的项目又一个接一个地下马而化为泡影。
在试图自主掌握先进歼击机设计技术的尝试失败之后，中国航空工业认识到在尚未建立专业配套的科研机构、试验条件以及飞机设计人员本身缺乏足够经验和必要基础技术储备的情况下，想设计出性能先进的作战飞机只是空谈而已。恰在此时，苏联出于自身需要中国在国际政治上支持的考虑，于1961年2月同意向中国转让米格-21歼击机及其配套发动机和空空导弹的生产技术许可。米格-21这种飞行速度超过两倍声速的飞机到来，为中国自行研制性能更好的新型歼击机带来了契机。
1961年8月，在吸取“大跃进”时期航空工业发展受挫的经验教训基础上，集中了国内主要的飞机设计人才成立了沈阳飞机设计研究所，并随即开始集中力量对引进的米格-21飞机进行全面的“技术摸透”工作。该所一方面为仿制该机做必要的技术准备，另一方面也希望通过对米格-21飞机分析来学习国外先进作战飞机的设计思想，掌握高空高速歼击机的设计技术，从而达到自行设计新型歼击机的目的。在摸透米格-21飞机技术的同时，沈阳所还广泛研究了从台湾起义过来的F-86F战斗机和在防空作战中打下来的RF-101高速侦察机、F-4B多用途战斗机等美制战机的技术特点，以便兼收各家之所长。通过长达三年时间的卧薪尝胆，为自行研制新型歼击机打下了扎实的技术基础。
引进的米格-21飞机服役后，在最初参加的几次高空作战中暴露出了飞机留空时间短、高空高速性能不足、高空安定性与机动性差、无火控雷达搜索目标困难等诸多缺陷，另外在火力配备和起飞着陆性能上也有待加强和改善。针对米格-21飞机的这些缺陷以及中国空军部队的作战要求和当时国外战斗机技术发展情况，并且结合当时了空军和海军航空兵部队与美制战机的作战经验，沈阳所于1964年5月提出了在米格-21飞机的基础上，自行设计一种飞得更高、更快、续航时间更长、看得更远、火力更强的新型歼击机。该机以美国的F-4、F-104战斗机和F-105战斗轰炸机为作战对象，并把B-58轰炸机作为主要的攻击目标，主要用于要地防空拦截及通过空战夺取制空权。
当时沈阳所提出了两个新机方案：一个是单发方案，采用全新研制的大推力涡轮风扇发动机（涡扇6型）、两侧进气布局、机头内安装大直径的火控雷达天线；另一个是双发方案，采用两台加大推力的涡轮喷气发动机（涡喷7甲型）、机头进气布局、进气道中心调节锥内安装直径较小的火控雷达天线。虽然单发方案在技术上较为先进，也符合当时世界战斗机及航空发动机发展的潮流，但对国内技术水平来说过于超前而难以实现；双发方案则立足于已掌握的米格-21飞机所配套的涡喷7型发动机基础上进行增大推力的改进，因而技术实现上风险较小，容易保证飞机的性能和研制进度，成功的把握要更大一些。
此外对于飞机进气道形式的选择问题上，是采用机头进气方式还是两侧进气方式，在当时也发生了很多争论。两侧进气方式虽然有利于在机头布置大直径的火控雷达天线，提高飞机作战能力，但当时国内对这种进气道布局缺乏经验，技术上没有什么把握；而米格-21的机头进气方式虽然难以布置大直径火控雷达天线，但通过之前对米格-21飞机的“技术摸透”工作，对机头带有中心激波锥这种进气方式进行了比较深入研究，基本掌握了其调节机理，技术实现起来不会有大的差池。
在权衡当时国内的技术条件及对新机研制难度、进度和风险大小等多方面的因素后，沈阳所最终确定了更为稳妥的机头进气双发方案。该方案被命名歼击八型飞机，简称为歼8飞机。后来的事实也表明当时选择双发方案是一个正确的决策，这成为歼8飞机能够研制成功的重要前提。同期开始研制的涡扇6型发动机在后来遇到了相当多的技术难题，一直拖到20世纪80年代都未能定型使用。
无独有偶，苏联米高扬-格列维奇设计局也曾设计出一种外形与歼8飞机极其相似的Е-152А飞机。当时米高扬在研制Е-152高空高速全天候截击机时，为防止新型大推力发动机可能出现技术困难而延误整个飞机的研制进度，专门设计了Е-152А这种双发备份方案。结果后来为Е-152飞机配套的大推力发动机果然非常不可靠，各种故障不断，导致最后飞机的试飞不得不停止。而与Е-152平行研制的Е-152А飞机则因为采用了技术成熟的现成发动机，整个试飞过程却较为顺利。
1965年5月，歼8飞机的战术技术指标和研制任务被正式批准，要求突出了高空高速性能、增大航程、提高爬升率和加强火力。飞机外形则基本参照米格-21飞机，采用机头进气、大后掠角小展弦比三角翼、下置平尾和双腹鳍的总体气动布局形式。机载武器包括翼下吊挂两枚“霹雳”2型红外制导空空导弹，前机身装两门30毫米航空机炮。飞机设计人员没有对当时国外流行的“要导弹不要机炮”的潮流盲目跟风，而是根据国内技术现实和部队飞行员的建议采取了导弹和机炮并重的方式，避免了美苏等国当时在这方面所走的弯路。飞机上计划安装新研制的204型机载火控雷达以及比较全面的机载设备，具有在夜间和复杂气象条件下遂行作战的能力。
相比米格-21飞机，歼8飞机的各项飞行性能指标和作战能力均有较大改善。尽管受到当时国内航空技术水平的制约，歼8飞机从外形上看似乎只是米格-21的“简单放大”，但飞机设计人员实际上并没有完全拘泥于米格-21飞机的条条框框，而是结合飞机性能指标的要求，利用之前“摸透”的技术基础，对米格-21飞机所存在的缺陷有针对性地进行了部分改进。如机翼前缘后掠角加大了3度，以提高飞机的最大飞行速度；通过采用机翼前缘扭转结构来减小飞行阻力，有利于增大飞机航程和作战半径；相对较钝的机头进气道唇口可以改善低速飞行条件下的进气特性，而无级调节的中心锥则能够在超声速飞行时更好地保持进气效率并减小激波阻力，提高飞机的高空加速性能。
歼8飞机的设计工作全面展开，然而新机的研制道路也并非一帆风顺。研制伊始，歼8飞机就遇到了两件对研制工作带来非常不利影响的事情。第一件是经验丰富的主管设计师黄志千在赴西欧考察途经埃及开罗上空时因客机失事不幸罹难，这给新机研制的技术工作带来了很大损失。第二件就是翌年爆发的“文化大革命”运动，在当时政治运动的冲击下，沈阳所和沈阳飞机厂的科研生产几乎陷于停顿，严重干扰和拖延了歼8飞机的研制工作。虽然遇到很多的不利影响和困难，但是歼8飞机的研制仍然继续坚持而没有中断。
1968年6月，歼8飞机的第一架原型机终于完成总装，1969年7月5日首飞成功。然而首飞上天并不意味着飞机研制的成功，之后歼8飞机开始了长达十年的艰难试飞历程。由于这是新中国自行设计的第一种高空高速歼击机，当时国内航空科研水平低、技术储备不足以及试验条件简陋，使试飞中出现的跨声速振动、后机身温度过高和发动机空中停车等一系列问题长期无法得到解决，导致飞机的试飞进度一拖再拖，迟迟不能定型投产装备部队。直到1980年3月，历经坎坷的歼8飞机才基本达到了原定的性能指标得以通过设计定型，1981年开始装备空军作战部队。
当北约发现歼8飞机后，为方便识别按惯例为其起了一个绰号“长须鲸”。后来当两侧进气的歼8II飞机出现后，也沿袭了“长须鲸”的绰号。不过为了与之前机头进气的歼8飞机相区别，歼8飞机的绰号改为“长须鲸”A，而歼8II飞机则为“长须鲸”B。
歼8飞机从开始研制到最后设计定型，整整花费了15年的时间，导致服役时性能远远落后于同时代国外先进战斗机的水平。此时原先设定的F-104、F-105、B-58等作战对象大都已经退役，歼8飞机将面对的是性能更为先进的第三代战斗机。该机研制步伐之所以如此缓慢，除了十年动乱的干扰因素外，最主要是由于当时国内航空科研水平低下、技术储备和预先研究严重不足以及缺乏经验没有掌握新机研制规律等原因造成的。
根据最初的战技术要求，歼8飞机应该是一种装备火控雷达的全天候歼击机，可以在夜间和复杂气候条件下升空进行作战。但在设计定型的时候却并没有实现全天候作战能力，这是由于当时中国的电子工业技术水平落后，为其配套的204型机载火控雷达迟迟研制不出来，无法赶上歼8飞机的研制进度。为了能使歼8飞机早日装备部队形成战斗力，更快缩小现有国产战机与国外先进战机之间的巨大性能差距，不得不分两步完成歼8飞机的研制。第一步先研制安装226型雷达测距器的歼8昼间型飞机，第二步再研制安装204型雷达的歼8全天候型飞机。
1976年3月，全天候型开始改进设计并被命名为歼8I飞机。全天候型主要是在歼8飞机的基础上改进了部分机载设备、弹射救生方式以及武器配置，而飞机外形和结构则基本保持不变。加装换装的机载设备包括新研制出来的204雷达、短波单边带电台、近程导航设备、无线电高度表、机尾告警器等多项电子装备。其改进的核心内容是204型机载火控雷达，对小型空中目标的探测距离不小于15千米；采用了固定风挡和座舱盖分离的新座舱，座舱盖向后上开启；配套HTY-3型火箭弹射救生系统，实现了“零高度、小速度”条件下的安全救生；将两门30毫米30-1型航炮改为一门高射速的23毫米23-III型双管航炮，射速达到3000发/分钟，大大提高了机炮空中射击的命中率；机翼挂架可以挂载四枚“霹雳”2乙型红外制导空空导弹，提高了飞机的近距导弹攻击能力。
经过8年多时间的研制，1984年11月，歼8I飞机完成了所有试飞科目并达到设计要求。1985年7月，航空产品定型委员会正式批准设计定型，开始投入小批量生产。1987年5月， 歼8昼间型和歼8I全天候型飞机共同获得了国家科技进步特等奖。然而随着80年代后期歼8Ⅱ飞机的研制成功，以及性能更先进的苏-27飞机的引进，早期生产的那些歼8和歼8I飞机还没有装备使用几年就已经过时了，成了“食之无肉、弃之可惜”的鸡肋。除了飞行速度和高度尚能与国外第三代战斗机相抗衡外，整体作战能力已经相差很远，因此歼8I飞机仅仅生产了少量后就于1987年停产。但对于当时的中国来说，并没有足够的资金来大量采购装备更先进的苏-27飞机，而自行研制的性能有较大改进的歼8Ⅱ飞机还存在某些缺陷和不足，改进完善也尚需时日。为了保持必要的全天候作战能力，只能想办法改进现役的歼8飞机，充分发挥现有装备的特长，延长其实际使用寿命。 对于昼间型的歼8飞机来说，由于机载电子设备过于老旧，安装机载火控雷达需将整机的直流供电系统改为交流供电系统，加之其弹射救生方式采用的是不够安全可靠的带离式弹射救生系统，涉及的改装工作量比较大。因此歼8昼间型飞机的效费比差，已失去改装意义。而歼8I全天候型飞机的服役时间短，机体剩余寿命长，而且飞机本身系统也更具备改装条件，因此当时的改进都是针对现役的歼8I飞机。考虑到当时的作战需求和国内实际技术情况，确定了以改进火控雷达、改善机载武器和增加飞机自卫能力为主的总体改装方案，以实现用小的改进成本代价实现较大幅度的作战能力提高。
由于改进后的歼8I飞机的设备配置有了较大变化，因此当时被赋予了新的机型代号。而在改进项目计划确定的时候，歼8系列飞机的改进型代号已经排到了“D”，于是按照这一代号顺序，改装后的歼8I飞机被命名为“歼8E”。而改型代号排在其之前的歼8D和之后歼8F，均是在两侧进气的歼8Ⅱ基础上的改进而来，因此就形成了“旧机型号夹在新机型号序列里”的这一特殊情况。
歼8I飞机原配套的204型雷达，是中国自行研制的第一种单脉冲体制机载火控雷达。但由于国内的电子工业技术水平落后的拖累，204型雷达从20世纪60年代开始研制，直到70年代末仍未设计定型，最初装备的歼8飞机不得不安装简易的雷达测距器。尽管204型雷达的研制后来获得了成功，但雷达本身的性能比较差，搜索探测距离近，工作可靠性低，与同期国外战斗机的火控雷达相比存在着很大的技术差距，无法适应现代空战的要求。歼8Ⅱ飞机就是鉴于204型雷达天线尺寸较小，无法进一步提高雷达探测性能，因此更换为搜索距离更远的208型雷达。该雷达是中国第一种具备拦射能力的机载火控雷达，对小型歼击机目标的搜索距离达到30千米以上。但雷达的天线尺寸也随着性能的提高而增加到了700毫米左右，在机头进气道内完全无法安装。因此歼8Ⅱ的机体结构进行了大幅改动，全新设计了前机身，将机头进气更改为两侧进气，以便能容纳下大尺寸的雷达天线。
提高机载雷达探测性能成为歼8E飞机改进的重要内容，但由于不能对飞机的机头进气方式进行改动，这就限制了火控雷达天线的大小。换装的雷达天线必须要能塞入机头进气道的中心锥里才行；雷达的各分机设备也要尽可能简单紧凑，能容纳在机头设备舱的狭小空间里。当时国内能够满足这一安装要求且性能较好的新雷达只有歼雷7型雷达。歼雷7型雷达是在之前研制的317型雷达基础上发展而来的。1966年7月，机载雷达研究所在参照缴获的美制F-105战斗轰炸机所装备的R-14A型雷达残骸基础上，开始研制317型多功能歼击轰炸雷达。这是国内研制的第一部多功能单脉冲机载火控雷达，具有空对空/空对地探测、地形测绘、地形回避和对地目标测距等多种功能，能够完成航炮、火箭弹、导弹的对空、对地瞄准攻击以及航空炸弹的对地水平轰炸、俯冲轰炸和鱼雷的投放。1980年1月，317型雷达完成了全部试飞项目并通过了技术鉴定，获得当年三机部科研成果二等奖。但由于原定配套使用的强5乙型鱼雷机这时已经停止研制，317型雷达及其采用晶体管电路代替电子管电路的小型化改进型317甲型雷达均由于没有其他装机使用对象，也随之终止研制而未能投入生产。
317型雷达尽管下马了，但在研制过程中取得的技术成果被运用到后来研制的“歼雷”7型雷达上。“歼雷”7型雷达是一种单脉冲多功能雷达，是20世纪80年代中国研制出来的性能最好的小型歼击机火控雷达。1978年，成都飞机设计所开始对米格-21МФ飞机进行测绘设计，研制全天候的歼7Ⅲ飞机。在机载火控雷达的选择上通过对国产雷达和米格-21МФ飞机原装的РП-21型雷达进行了分析对比，认为国内现有的317甲型雷达的技术水平与之总体相当，一部分性能还有所超出，因此决定对РП-21型雷达不进行仿制，而改为在317甲型雷达基础上按照歼7Ⅲ飞机的装机要求进行相应改进，并将新雷达命名为“歼雷”7型雷达。
由于对空作战为主的歼击机和对地攻击为主的强击机两者对机载火控雷达的使用要求不同，承担雷达研制任务的机载雷达研究所更改了317甲型雷达的相关部分电路，以搜索显示、截获目标、光学瞄准等空对空功能为主，测定地面目标斜距等空对地功能为辅；加大雷达发射机功率以提高探测能力，雷达搜索距离达到20千米以上；并根据歼7Ⅲ飞机采用机头进气方式的安装条件，对雷达的各分机组成和安装形式进行了更改，以满足歼7Ⅲ飞机的装机要求。“歼雷”7型雷达与当时歼6甲飞机装用的“射雷”2型雷达相比，具有体积小、重量轻、耗电省、探测距离远、抗干扰能力强等优点。
由于歼8E的雷达天线安装在机头进气道的中心锥内，为了保证雷达的探测性能不受飞机进气道的屏蔽，借鉴之前在歼7Ⅲ飞机上采用的技术措施，歼8E较好地解决了进气道内壁假目标反射回波干扰的问题，保证了雷达装机后的正常工作。采用现有的歼雷7型雷达不但提高了歼8E飞机的全天候作战性能，也降低了改装成本、缩短了改装时间。
歼8I飞机原先的主要武器是机翼下挂载的四枚“霹雳”2乙型红外制导空空导弹。这种导弹虽然比早期“霹雳”2型导弹的各项性能均有所提高，但仍存在着跟踪探测距离短、抗干扰能力差和可靠性低等缺点。为了加强飞机的空中近战格斗能力，歼8E飞机换装了当时国内新改进研制出来的“霹雳”5乙型导弹。该导弹是在“霹雳”2型的基础上，参照美制AIM-9D“响尾蛇”空空导弹残骸进行改进研制的一种红外制导空空导弹。继承了“霹雳”2型弹径小、重量轻的优点，同时又针对其暴露出的缺陷，采用了当时国内掌握的新技术对导弹进行了改进完善：红外导引头更换为灵敏度更高的压缩空气致冷硫化铅探测器，具有抗背景辐射干扰的能力，探测距离和跟踪性能较“霹雳”2型有了显著的提高；配用新型红外或无线电近炸引信，解决了之前导弹引信早炸的问题。1986年9月，“霹雳”5乙型空空导弹通过设计定型，之后由陕西汉中空空导弹厂投入批量生产，成为80年代后期和90年代歼7、歼8系列改进型飞机的主要导弹武器。