МиГ-31М представляет собой глубокую модификацию исходного варианта. Самолет получил крыло с корневыми наплывами большей площади, в гаргроте большего размера разместили топливный бак увеличенной на 300 л емкости.

Площадь остекления правой стороны фонаря кабины уменьшена для создания эффекта «темной кабины», а площадь остекления фонаря кабины летчика увеличена за счет установки монолитного козырька фонаря кабины; носовой обтекатель антенны РЛС наклонен вниз на 7° по отношению к продольной оси самолета для улучшения обзора из кабины летчика вниз и вперед, сам обтекатель имеет больший диаметр; на нижней поверхности фюзеляжа имеются гнезда для размещения в полуутолпленном положении не четырех (как на МиГ-31), а шести ракет «воздух - воздух» большого радиуса действия; пушка отсутству­ет; штанга топливоприемника перенесена на правый борт; двигатели разнесены на большее расстояние от продольной оси самолета; увеличена площадь рулей направления. На седьмом прототипе на концах крыла устанавливались си­гарообразные контейнеры с аппаратурой РЭБ, для увеличения путевой устойчивости в хвостовой части контейнеры имели вертикальные поверхности треугольной формы.

На МиГ-31М установлена усовершен­ствованная РЛС «Заслон-М»; в состав приборного оборудования обеих кабин введены многофункциональные электронные индикаторы; органы управления самолетом в кабине штурмана не установлены, так же как и перископ обзора передней полусферы. В состав системы управления оружием вместо убираемого теплопеленгатора интегрированы оптико-электронная обзорно-прицельная система и лазерный дальномер. Ассортимент вооружения расширен за счет новых ракет «воздух - воздух» среднего радиуса действия РВВ-АЕ, малого радиуса Р-73, модернизированного варианта УР Р-33  ракеты Р-ЗЗС, и новой ракеты сверхбольшой дальности. Увеличение взлетной массы перехватчика в какой-то мере компенсируется установкой более мощных двигателей Д-30Ф6М.

Все шесть МиГ-31М построены на заводе в Нижнем Новгороде. Первый самолет предназначался для статических испытаний, второй прототип (первый летный) выполнил первый полет 21 декабря 1985 года. Государственные испытания перехватчика завершились в апреле 1994 года.