Е-152М - самолет который был задуман как базовый для разработки истребителя-перехватчика с более совершенной системой навигации и перехвата. Он был переоборудован с Е-152-2 после закрытия программы испытаний ракет К-9 на нем. Е-152М был рассчитан под установку усовершенствованного двигателя Р15Б-300 и внешне отличался от Е-152-2 высоким гаргротом, тянувшимся до основания киля, а также новым фонарем без плоского лобового стекла. Под фюзеляжем можно было подвешивать один подвесной топливный бак емкостью 1500 л. Для снижения нагрузки крыло оборудовали двумя законцовками большой площади, что увеличило его размах (по сравнению с крылом Е-152) на 1507 мм. Кроме того, в носовой части фюзеляжа Е-152М установили переднее горизонтальное оперение (ПГО) с размахом 3,50 м, которое предназначалось для улучшения продольной устойчивости при переходе звукового барьера.

Важной особенностью Е-152М стала установка на нем новой усовершенствованной системы вооружения. Ее основу должен был составлять радиолокатор "Ураган-5Б-80".

Е-152М проходил испытания, но и его постигла участь предшественников. Моторостроители так и не сумели довести двигатель. Кроме того, пуски ракет с АПУ, расположенных на срезах крыла, дали неудовлетворительные результаты. Доработку законцовок крыла на Е-152М производить не стали, и пуски опытных ракет пришлось прекратить. На месте срезов крыла установили нормальные законцовки. Испытания системы "Ураган-5" были приостановлены в 1961-1962 годах практически на начальном этапе в связи со сложностью входящих компонентов и запаздыванием процесса их создания, а также перераспределением ресурсов в пользу космической тематики и новыми идеями в концепции построения системы ПВО. "Тяжелые МиГи" 150-й серии фактически стали летающими лабораториями для отработки элементов новых комплексов перехвата воздушных целей.