Работы по глубокой модернизации перехватчика МиГ-31, начатые в 1984, привели к созданию МиГ-31М ("Improved Foxhound"). Первый полет опытного истребителя-перехватчика состоялся 21 декабря 1985 (экипаж - летчик-испытатель Б.А.Орлов и штурман-испытатель Л.С.Попов). Построено 6 опытных самолетов.
 Зимой 1992 МиГ-31М  был продемонстрирован на показе руководителям стран СНГ в Мачулищах (Белоруссия). Машина значительно отличается от своего предшественника значительно усовершенствованными БРЛС и БРЭО, усиленным вооружением и новыми, более мощными двигателями Д-30Ф-6М.
 Крыло самолета имеет наплывы увеличенной площади, уменьшены аэродинамические гребни на крыле, уменьшена корневая хорда килей, увеличен корневой зализ килей, увеличены размеры гаргрота, в котором размещено дополнительно 300 л топлива. Увеличен обтекатель тормозного парашюта, перепроектировано шасси с носовым колесом. Переднее остекление кабины летчика выполнено сплошным, для улучшения обзора при посадке угол наклона вниз носовой части фюзеляжа увеличен на 7^о, уменьшена площадь остекления кабины оператора и слева перед фонарем установлена убирающаяся штанга системы дозаправки в воздухе. Максимальная взлетная масса МиГ-31М возросла до 52000 кг, скоростные и высотные характеристики практически не изменились.
Новая более мощная БРЛС «Заслон-М», разработанная НИИП, с антенной шириной 1,4 м имеет почти вдвое увеличенную дальность обнаружения (320 км), что позволило ввести в комплекс вооружения истребителя новые ракеты большой дальности (Р-37). Она может осуществлять одновременное сопровождение до 24 целей и наведение УР на 6 различных целей. В кабине оператора МиГ-31М установлено четыре прямоугольных экранных индикатора. На концах крыла установлены контейнеры с оборудованием для радиоэлектронной разведки или электронного противодействия. Вместо убирающегося теплопеленгатора на самолете установлен оптиколокационный комплекс с ИК- и лазерным каналами (его оптическая головка размещена перед козырьком кабины летчика). Системы индивидуальной защиты и радиоэлектронного противодействия объединены в бортовой комплекс обороны.
Усилено вооружение - 6 УР большой дальности Р-33С или Р-37 (дальность пуска -120 и 280 км соответственно), конформно подвешиваемых под фюзеляжем по две в три ряда, а также 4 высокоманевренных УР средней дальности Р-77 (РВВ-АЕ) на подкрыльевых узлах подвески. В апреле 1994 были успешно проведены первые в мире испытания по поражению воздушной цели на дальности свыше 300 км.
МиГ-31М не пошел в серию, но в настоящее время начата модернизация МиГ-31 в многоцелевой МиГ-31БМ. При этом широко используются решения, испытанные на МиГ-31М.