В процессе развития и модернизации этого семейства самолетов появившийся в 1976 году МиГ-23МЛ представляет важный этап, так как является глубокой переработкой МиГ-23М: заменили двигатель, установили новое оборудование, новые новые ракеты, улучшили характеристики бортовой радиолокационной станции.
  Вместо двигателя Р-29-300 установлен ТРД конструкции Хачатурова Р-35 первой серии (Р-35-300), развивавший тягу на максимале 8379 даН (8550 кгс) и стендовую форсажную тягу 12446 - 12740 даН (12700 - 13000 кгс).
  Масса топлива с тремя подвесными баками по 800 л равнялась 5500 кг. Кроме двигателя, МиГ-23МЛ по сравнению с МиГ-23М имл следующие отличия:
- трехсекционные закрылки в виде поворотного щитка;
- модернизированная система автоматического управления САУ-23АМ (с перекрестными связями); - самолет облегчен за счет снятия четвертого фюзеляжного бака;
- установлена пилотажно-навигационная система "Полет", состоящая из системы ближней навигации, системы курсовертикали, датчика высоты и воздушной скорости. Система "Полет" связана с САУ и может работать совместно с ней;
- модернизированная обзорно-прицельная система С-23МЛ, в которую входят бортовая радиолокационная станция "Сапфир-23МЛ", инфракрасный теплопеленгатор ТП-23М, коллиматорный стрелковый прицел АСП-17МЛ;
- шесть точек подвески (четыре под фюзеляжем, две под неподвижной частью крыла) и стандартный комплекс ракет класса "воздух-воздух" с РГС и ТГС (Р-23Р / Р-23Т), а также все пушечное и ракетное вооружение, применявшееся на МиГ-23М;
- универсальные пушечные контейнеры УПК-23-250 (с пушками ГШ-23Л), которые подвешиваются под крылом (две штуки);
- модернизирована конструкция киля, задняя кромка которого обрезана.
  Самолеты МиГ-23МЛ выпускались серийно с 1976 по 1981 год. В дальнейшем, по мере поступления в ремонт они переделывались под стандарт МЛД.