Разработка велась в тесном взаимодействии с ОКБ Микояна. Для снижения аэродинамического сопротивления самолета с подвешенными ракетами и защиты ракеты от кинетического нагрева в совместном полете вскоре перешли на схему полуутопленной подфюзеляжной подвески ракет. Для обеспечения достаточного боекомплекта предусматривалось разместить четыре ракеты в два эшелона по длине фюзеляжа самолета. Такая схема накладывала довольно жесткие ограничения на длину ракеты, что в значительной мере определило непривычно малое удлинение ее корпуса. Другим фактором, способствующим подобной компоновке, стало стремление разместить в составе полуактивной радиолокационной ГСН антенну большого диаметра.

Эти технические решения легли в основу второй редакции эскизного проекта, а также изменений, внесенных в конструкторскую документацию в 1972 г. Исходя из принятого размещения К-33 под фюзеляжем носителя осуществлялось складывание двух верхних консолей рулей ракеты, а размах крыла уменьшен с 1100 до 900 мм. При этом должен был обеспечиваться только катапультный старт ракеты. Подобная схема старта и конформное размещение ракет под фюзеляжем самолета были реализованы впервые. Массу боевой части УР увеличили с 35 до 47 кг. Началась разработка нового привода на горячем газе с его охлаждением перед использованием в турбогенераторе рулевого привода.

Помимо новой схемы функционирования Р-33 отличалась от Р-40 использованием чисто пассивной схемы теплозащиты. Ход разработки и последующая эксплуатация МиГ-25 позволили уточнить реальные высотно-скоростные профили полетов и характер воздействующих на ракету тепловых потоков, собственных источников тепловыделения (в первую очередь от работающей ГСН) и отказаться от усложняющей конструкцию носителя и ракеты системы подачи хладагента на ракету.

Ракета, состоящая из четырех соединенных силовыми хомутами отсеков, выполнена по ставшей уже классической компоновочной схеме. В первом отсеке располагается полуактивная ГСН МФБУ-410, за ней — контактное взрывательное устройство и радиовзрыватель, во втором отсеке — аппаратура автопилота и осколочно-фугасная боевая часть с размещенным по центру ПИМом. Третий отсек представляет собой однокамерный двухрежимный РДТТ с удлиненным газоводом и сопловым блоком, вокруг которых скомпонован четвертый отсек с установленными в нем газогенераторами, турбогенератором с блоком регулирования и рулевыми машинами, работающими на горячем газе.

Несмотря на то что для боевых ракет была принята только схема катапультного старта, во избежание утраты темпа разработки применительно к летающей лаборатории МиГ-25П-10 продолжались работы по обычным рельсовым пусковым устройствам АПУ-40. В 1972 г. началась отработка ГСН МФБУ-410 и активного радиовзрывателя. Изготовили первые восемь пусковых, пять программных и одну бросковую ракету.

Фазированная антенная решетка РЛС «Заслон» на перехватчике МиГ-31.

Три из них задействовали в следующем году для проведения первых пусков с МиГ-25П-10. Кроме того, на этом самолете выполнили 25 облетов ракет. Вслед за подвесными подкрыльевыми АПУ-410 и АКУ-410 была сконструирована встроенная подфюзеляжная АКУ-33. Опытное производство подготовило еще 19 пусковых и программных ракет, а также габаритно-массовых макетов. Первые ГСН изготавливались опытным производством НИИИП, последующие — на Рыбинском заводе приборостроения. Проводились наземные статические и динамические испытания изделий, отработка двух вариантов боевой части: осколочно-фугасной и стержневой. Началась летная отработка ГСН на ЛЛ-21, а самолетной РЛС «Заслон» — на Ту-104.

В 1974 г. проведением еще 11 стрельб пусковыми и программными ракетами завершилась первоначальная программа автономных испытаний на МиГ-25П-10 с рельсовыми пусковыми установками. При этом исследовались полетные температурные режимы конструкции ракет, определены их вибрационные характеристики. Было изготовлено 40 ракет, в том числе пять телеметрических, которые использовали для «стыковки» с «Заслоном».

Подготовили первые АКУ-33 и боевые части Б-410. В Ахтубинске организовали техническую позицию с размещенными на ней двумя фургонами с МФБУ-410, которые испытывались на земле при пролете над ними ЛЛ-2 с работающей РЛС «Заслон».

Первый вылет будущего МиГ-31 (самолет №831) состоялся 16 сентября 1975 г. До конца года удалось выполнить еще дюжину полетов. За год провели еще 20 баллистических программных пусков с МиГ-25П-10, после чего его поставили на доработку под катапультные пусковые установки. С октября 1975 г. начали пуски телеметрических ракет с Ту-104ЛЛ, правда, с рельсовым стартом.

В следующем году началась отработка АКУ-33. Было осуществлено 17 автономных пусков с наземного образца пусковой установки, а также семь сбросов с АКУ-33 на МиГ-25П-10. Предварительно на этом самолете выполнили еще 20 пусков программных и телеметрических изделий. С апреля начались стрельбы по парашютным мишеням ПРМ-2.

Все эти мероприятия позволили в 1977 г. перейти к отработке катапультного старта и пускам с самолета №831, завершив программу заводских испытаний, а также подключить второй опытный самолет №832, проведя несколько пусков по целям, а в следующем году осуществив с него 23 наземных сброса. Первый пуск телеметрической ракеты в переднюю полусферу по самолету-мишени МиГ-17 был выполнен 26 марта 1977 г. и завершился прямым попаданием. Всего в течение года провели 32 пуска.

Первые пуски по низколетящим целям в переднюю полусферу выявили необходимость внесения доработок в автомат захвата цели и в автомат захвата помехи. Начиная с апреля 1978 г. проводились пуски ракет с доработанными ГСН, проходившие успешно. Другая сложность была связана с забиванием приемного канала МФБУ-410 телеметрическим сигналом от бортовой телеметрической системы. В августе 1978 г. состоялись испытания с одновременным обстрелом одним истребителем четырех целей.

Государственные испытания начались в марте 1979 г. Помимо восьми программных ракет с МиГ-31 №83210 были запущены четыре зачетные управляемые ракеты, которые уничтожили три мишени. По результатам доработок с установкой теплостойкой пиротехники были сняты полетные ограничения по АКУ-33. В следующем году завершился и второй этап государственных испытаний. Новый комплекс был рекомендован к принятию на вооружение, которое было оформлено постановлением партии и правительства от 6 мая 1981 г.