Dòng máy bay Mirage III được chính phủ Pháp nghiên cứu phát triển từ năm 1952, ban đầu nó được mô tả như một máy bay tiêm kích đánh chặn hạng nhẹ, bay mọi thời tiết vào đầu năm 1953, có khả năng bay lên cao 18.000 m (59.040 ft) trong 6 phút và đạt tốc độ Mach 1.3.

Dassault đã đưa ra một mẫu máy bay mới là Mystère-Delta 550, một máy bay phản lực nhỏ dạng thể thao, trang bị 2 động cơ phản lực tuabin đốt lần hai Armstrong Siddeley MD30R Viper, lực đẩy 9.61 kN (2.160 lbf) mỗi chiếc. Một động cơ tên lửa nhiên liệu lỏng SEPR sẽ tạo thêm lực đẩy phụ 14.7 kN (3.300 lbf). Máy bay có hình dạng tam giác không cánh đuôi, với 5% chord (tỷ lệ của độ dày cánh máy bay trên chiều dài) và góc xuôi sau 60°.

Hình dạng tam giác không cánh đuôi có một số hạn chế. Nó thiếu cánh thăng bằng ở sau có nghĩa là các cánh tà không được sử dụng, dẫn đến quãng đường cất cánh dài và tốc độ hạ cánh cao. Cánh tam giác bản thân nó bị giới hạn về khả năng thao diễn; và bị rung khi bay ở độ cao thấp, do diện tích cánh lớn và tải trọng trên cánh thấp. Tuy nhiên, cánh tam giác lại dễ thiết kế, chế tạo dễ dàng và khỏe, có khả năng giúp máy bay đạt tốc độ cao khi bay thẳng, và thể tích trong cánh lớn để chứa nhiên liệu.

Nguyên mẫu đầu tiên của Mystere-Delta, không có động cơ đốt lần hai hay động cơ tên lửa, có một cánh đuôi đứng lớn, bay lần đầu vào 25 tháng 6-1955. Sau khi thiết kế lại, cánh đuôi đứng đã có kích thước hợp lý, lắp đặt thêm động cơ đốt nhiên liệu lần hai và động cơ tên lửa, và có tên là Mirage I, nguyên mẫu đạt vận tốc Mach 1.3 mà không có động cơ tên lửa và vận tốc Mach 1.6 với động cơ tên lửa vào cuối năm 1955.

Tuy nhiên, kích cỡ nhỏ của Mirage I đã giới hạn vũ khí của nó chỉ có một tên lửa không đối không, và thậm chí trước thời gian này nó đã được thận trọng quyết định đây là một máy bay đơn giản quá nhỏ để mang được trọng lượng vũ khí hữu ích. Sau những cuộc thử nghiệm, nguyên mẫu Mirage I dần dần bị loại bỏ.

Dassault sau đó xem xét một phiên bản lớn hơn có tên gọi là Mirage II, với hai động cơ phản lực Turbomeca Gabizo, nhưng không máy bay nào với cấu hình của Mirage II được chế tạo. Mirage II là một thiết kế tham vọng như nặng hơn 30% so với Mirage I và trang bị động cơ phản lực đốt lần hai SNECMA Atar mới có lực đẩy 43.2 kN (9.700 lbf). Atar là động cơ phản lực dòng trục, bắt nguồn từ động cơ BMW 003 của Đức trong Chiến tranh Thế giới II.

Thiết kế máy bay tiêm kích mới được đặt tên là Mirage III. Nó kết hợp khái niệm quy tắc diện tích mới, thay đổi những mặt cắt ngang của một máy bay được làm càng từ từ càng tốt, kết quả là cấu hình "lưng ong" nổi tiếng của rất nhiều máy bay tiêm kích siêu âm. Giống như Mirage I, Mirage III được gắn thêm một động cơ tên lửa SEPR.

Nguyên mẫu Mirage III bay vào ngày 17 tháng 11-1956, và đạt tới tốc độ Mach 1.52 trong chuyến bay thứ 7. Nguyên mẫu sau đó trang bị với động cơ tên lửa SEPR và khe hút khí điều khiển bằng tay hình bán nguyệt khuếch tán va chạm; được biết đến như souris ("con chuột"), được di chuyển tới trước để nhanh chóng làm giảm sự nhiễu loạn đầu vào. Mirage III đã đạt tốc độ Mach 1.8 vào tháng 9-1957.

Thành công của nguyên mẫu Mirage III đã dẫn đến đơn đặt hàng 10 chiếc Mirage IIIA tiền sản xuất. Đây là những chiếc máy bay dài hơn 2 m so với nguyên mẫu Mirage III, diện tích cánh tăng 17.3%, chord giảm 4.5%, và động cơ Atar 09B lực đẩy 58.9 kN (13.230 lbf). Động cơ tên lửa SEPR được giữ lại, máy bay trang bị radar đánh chặn trên không Thomson-CSF Cyrano Ibis, hệ thống điện tử, và dù hãm để hạ cánh.

Chiếc Mirage IIIA đầu tiên bay vào tháng 5-1958, và dần dần đạt được vận tốc Mach 2.2, đây là máy bay đầu tiên của Châu Âu vượt vận tốc Mach 2 khi bay. Chiếc IIIA thứ 10 được giới thiệu vào tháng 12-1959. 1 chiếc được lắp 1 động cơ Rolls-Royce Avon 67 lực đẩy 71.1 kN (16.000 lbf), để thử nghiệm đánh giá cho Australia, với tên gọi Mirage IIIO. Phiên bản này bay vào tháng 2-1961, nhưng động cơ Avon không được chấp nhận.