Начиная с 1954 г., его ОКБ в инициативном порядке приступило к проектированию сверхзвуковых двухместных двухдвигательных самолетов по трем направлениям: фронтовой бомбардировщик, перехватчик и фронтовой разведчик. Самолеты должны были оснащаться двумя перспективными форсажными двигателями AM-11 конструкции ОКБ А.А.Микулина. Предполагалось, что они на максимальном режиме будут развивать тягу по 4000 кгс, а на форсаже — по 5000 кгс. Однако доводка AM-11 затягивалась, а несколько имеющихся образцов предназначались прежде всего для прототипов легкого фронтового истребителя ОКБ-155 Микояна. Поэтому Постановлением Совмина №616-381 от 30 марта 1955 г. и приказом МАП №240 от 5 апреля Яковлева перенацелили на создание новых сверхзвуковых самолетов с форсированными модификациями более отработанных двигателей РД-9.
Новый перехватчик получил предварительное обозначение Як-121. ОКБ-115 предписывалось построить два опытных истребителя. Первый требовалось оснастить двумя двигателями РД-9АК, РЛС «Сокол-М», вооружить двумя 37-мм пушками с боезапасом по 50 снарядов, а также 24 неуправляемыми снарядами АРС-57 в перегрузку и предъявить на совместные госиспытания в декабре 1955 г. На второй перехватчик следовало установить форсированные двигатели АМ-9Ф, станцию «Сокол-2», систему вооружения К-8 и предъявить на совместные госиспытания во II квартале 1956 г.
Первый опытный экземпляр нового барражирующего перехватчика строился на заводе ОКБ-115. От Як-25М машина отличалась прежде всего более совершенной аэродинамикой. Носовой радиопрозрачный обтекатель был выполнен в виде оживального конуса. Общая длина самолета увеличилась до 17,335 м. Двухместная кабина экипажа осталась практически такой же, но обводы фонаря изменились, наклон лобового стекла увеличился. Крыло и мотогондолы соответствовали примененным на Як-26-1. Конструкция шасси оставалась как на Як-25М. Заводские испытания перехватчика завершились весной 1956 г. (отчет был утвержден 14 мая). На истребителе удалось достичь максимальной скорости 1235 км/ч на высоте 10000 м и технической продолжительности полета 3 часа с нормальным запасом топлива на высоте 12000 м.