Trong khi chờ đợi, Balzac đã dẫn tới Mirage IIIV hiện nay lớn hơn 2 lần. Hai nguyên mẫu đã được chế tạo. Chiếc Mirage IIIV đầu tiên thực hiện chuyến bay lơ lửng thử nghiệm đầu tiên vào tháng 2-1965. IIIV có cách bố trí chung của những máy bay tiêm kích Mirage trước đó, nhưng nó dài hơn và có cánh lớn hơn, giống như Balzac có 9 động cơ: một động cơ phản lực cánh quạt đẩy Pratt & Whitney JTF10 do SNECMA sửa đổi, có tên gọi TF104 lực đẩy 61.8 kN (13.900 lbf), và 8 động cơ Rolls-Royce RB.162-1, lực đẩy mỗi chiếc 15.7 kN (3.525 lbf), đặt thẳng đứng từng đôi một xung quanh trục giữa. TF-104 trước được đánh giá trên một chiếc máy bay thử nghiệm được chế tạo đặc biệt là Mirage IIIT, giống một chiếc Mirage IIIC ngoại trừ thay đổi với động cơ thích hợp.

Động cơ TF104 nhanh chóng bị thay thế bởi động cơ nâng cấp TF106, có lực đẩy 74.5 kN (16.750 lbf), trước khi nguyên mẫu đầu tiên thực hiện chuyển tiếp ban đầu, bắt đầu bay tiến vào tháng 3-1966. Nó đạt tới vận tốc Mach 1.32 trong các thử nghiệm bay.

Nguyên mẫu thứ hai có 1 động cơ phản lực cánh quạt đẩy TF30, lực đẩy 82.4 kN (18.500 lbf), bay lần đầu vào tháng 6-1966. Vào tháng 9 cùng năm. Nó đạt tới vận tốc Mach 2.04, nhưng đã bị phá hủy trong một tai nạn vào 28 tháng 11-1966. Mirage IIIV chưa bao giờ có khả năng cất cánh thẳng đứng và thành công khi cố gắng đạt vận tốc siêu âm trong cùng một chuyến bay; thiếu nhiên liệu và động cơ phản lực nâng quá nặng đã ngăn cản nó.

Việc mất nguyên mẫu thứ hai đã khiến chương trình bị hủy bỏ, và thật ra nó đã dập tắt bất kỳ viễn cảnh nào về một máy bay tiêm kích cất cánh thẳng đứng hoạt động với vận tốc Mach 2. Hawker P.1154 của Anh đã bị hủy bỏ vào năm 1965 bởi chính phủ, lúc đó nó vẫn đang ở giai đoạn nguyên mẫu, mẫu máy bay cường kích VTOL Hawker-Siddeley Kestrel đã bay thử nghiệm trong một cuộc thử nghiệm đánh giá ba bên giữa Mỹ, Anh và Tây Đức. Pháp ưu tiên Mirage IIIV.

Một số công việc đối với P.1154 và Kestrel đã góp phần tạo nên mẫu máy bay tiêm kích cất cánh thẳng đứng Harrier. Mirage IIIV chưa bao giờ trở thành một máy bay chiến đấu thực sự. 8 động cơ nâng là một cơn ác mộng đối với công tác bảo dưỡng, và chắc chắn trọng lượng của chúng đã khiến tầm bay giảm xuống và trọng tải tăng thêm. Rõ ràng chương trình đã thất bại hoàn toàn thậm chí trước cả khi mất nguyên mẫu thứ hai.

Một phần công nghệ của IIIV đã được sử dụng lại trên Mirage IIIF, sau đó là Mirage F1. Buồng lái và các thiết bị điện tử phụ trở cũng đã được áp dụng trên một số mẫu máy bay của Pháp.