幻影III 原型機的試飛成功促使法國空軍訂購了 10 架預生產型的幻影IIIA，該機幾乎比原型機長了兩米，翼面積也加大了 17.3%，機翼的相對厚度降低到 4.5%，換裝推力增加到 6,000 千克的“阿塔”09B 發動機，保留安裝 SEPR 火箭的能力。該機還安裝了湯姆遜-CSF 的“西拉諾-白鸛”機載截擊雷達、全套航電、以及用於縮短降落滑跑距離的減速傘。
1958 年 5 月幻影IIIA 首飛，該型號最終飛到 2.2 馬赫，成為第壹種在平飛中超過 2 馬赫的歐洲飛機。1959 年 12 月最後壹架幻影IIIA 下線。達索為了向澳大利亞推銷幻影III，把壹架幻影IIIA 換裝了羅-羅的“阿汶”67 發動機，推力增加到 7,250 千克，編號為幻影IIIO，該機還以澳大利亞城市霍巴特來命名。“霍巴特”在 1961 年 2 月 13 日首飛，但“阿汶”與“阿塔”發動機相比並沒有提供足夠大的性能改善，所以生產型幻影最終沒有采用這種英國發動機。 幻影III 的第壹種單座生產型是 1960 年 10 月首飛的幻影IIIC。IIIC 大致與 IIIA 相同，但是機身進壹步加長了 0.5 米，並安裝了全套作戰設備，安裝“阿塔”09B 發動機，該發動機具有獨特的眼瞼式可變截面積尾噴管。
幻影IIIC 座艙配備有向後掀開的蛤殼式座艙蓋，以及馬丁-貝克 Mk4 彈射座椅——後期升級成 Mk6 火箭助推零-零（零速度，零高度）彈射座椅。幻影IIIC 的機腹安裝兩門 30 毫米“德發”轉膛式機炮，並成為成為日後幻影各型號的標準內置武器，機炮口位於進氣口下方。早期批次的幻影IIIC 只有三個掛架——機腹壹個翼下兩個，很快就增加了壹對機翼外側掛架，使掛架數量增加到 5 個，外側掛架用於掛載“響尾蛇”空空導彈。
幻影IIIC 具備對地攻擊能力，翼下主掛架可掛載多種輕、中型炸彈，以及多種火箭巢，當然也可以掛載多種副油箱。為了解決掛架數量不足的問題，法國人專門研制了結合有火箭巢的副油箱，以及結合了串列炸彈掛架的副油箱。
隨著時間的推移，幻影的武器也在不斷翻新，“響尾蛇”被馬特拉“魔術”熱尋的導彈取代，此外還有激光制導炸彈、集束炸彈、“迪朗達爾”反跑道炸彈、“馬特爾”空地導彈。因為幻影III/5/50 不能掛載目標指示吊艙，所以在投放激光制導炸彈時需要其他飛機或地面部隊照射目標。
盡管幻影IIIC 可以加裝火箭發動機，但在實際使用中很少用到 SEPR 發動機。因為安裝火箭發動機的過程非常繁瑣，還需要拆除機炮。而且 SEPR 火箭發動機在燒光燃料之後還不能拋掉，成為死重。最後軍方取消了火箭發動機，幻影IIIC 尾部下方安裝火箭的空間被用於存放燃油，火箭噴管占用的地方安裝了腹鰭，後來又加上攔阻鉤。
法國空軍***采購了 95 架幻影IIIC，於 1961 年 7 月開始交付，在法軍壹直服役到 1988 年。此外瑞士購買該型號的生產許可證，並獲得壹架用於測試的樣機。南非、以色列也是幻影IIIC 的用戶。出口型幻影IIIC 在編號最後都加上了國別代碼，例如瑞士的那架幻影IIIC 是幻影IIICS，以色列 的是幻影IIICJ，南非的是幻影IIICZ。
在 1967 年的“六日戰爭”中，以色列的幻影IIICJ 大放異彩。在 1967 年 6 月 5 日晨，以色列空軍對埃及、約旦、和敘利亞的軍用機場進行了先發制人的打擊，使用機炮擊毀了大量的地面敵機，並使用法制“跑道挖洞器”炸彈摧毀了大段的跑道。以色列的閃電戰術贏得了戰爭，而簡單、敏捷、低成本的幻影三角翼戰鬥機也因這場戰爭而名聲大噪，幫達索做了廣告。 達索在幻影IIIC 投產時就在考慮研制該機的多用途/打擊型號，最終結果就是幻影IIIE。1961 年 4 月 1 日三架幻影IIIE 原型機中的第壹架首飛。
幻影IIIE 最大的改進就是前機身加長 30 厘米，從而可以在座艙後布置更大的航電艙。當然加長機身也增加了內油容量，增加了航程。但因為增加的長度不大，所以在外觀上難以察覺，但可以從幻影IIIE 的座艙蓋後沿在進氣口正上方看出來，因為幻影IIIC的沿在進氣口後。
某些幻影IIIE 還在座艙下方的機腹安裝了馬可尼連續波多普勒導航雷達的天線罩，而 IIIC 是沒有該特征的。幻影III 家族另壹個有趣的地方就是垂尾的高頻 HF 無線電天線了，具有該天線的幻影III 垂尾前緣是折線狀的，在延伸段安裝了保形 HF 天線，而沒該天線的幻影III 垂尾前緣就是直線狀。垂尾 HF 天線是生產型幻影IIIC 的標準配置，而 只有部分幻影IIIE 安裝了該天線。
幻影IIIE 換裝湯姆遜-CSF 的“西拉諾”II 雙模空/地雷達，並在垂尾頂部增加了雷達告警接收機天線。還換裝“阿塔”09C 發動機，加力推力增加到 6,200 千克，並改用花瓣式可變截面積尾噴管。幻影IIIE 同樣裝備兩門“德發”30 毫米機炮，具有 5 個掛架，最大載彈量4 噸。
幻影IIIE 性能數據：
翼展：8.22 米
翼面積：34.85 平方米
長度：15 米
高度：4.5 米
空重：7,050 千克
最大起飛重量：13,500 千克
最大速度：2,350 千米/時
實用升限：17,000 米
航程：2,400 千米
1964 年 1 月首架生產型幻影IIIE 交付法國空軍，最後法國***裝備了 192 架。達索也出口了相當數量的幻影IIIE，阿根廷、巴西、黎巴嫩、巴基斯坦 、南非、西班牙、委內瑞拉都夠買了小批量。出口型幻影IIIE 編號中也有各自國家的識別碼，並且根據客戶的要求在配置上各有不同。
達索奉行“客戶永遠是對的”這壹宗旨，非常樂意根據客戶的預算和要求來靈活調整出口型幻影的配置。例如巴基斯坦的幻影5PA3 就是唯壹能掛載 AM-39“飛魚”反艦導彈的幻影III/5，並且應巴方的的要求換裝了湯姆遜-CSF“龍舌蘭”海上搜索雷達。
幻影IIIE 的總產量遠高於幻影IIIC，達到 523 架。60 年代中期壹架幻影IIIE 被用於“阿塔”09K-6 發動機的試飛，但編號讓人困惑地改成了幻影IIIC2。澳大利亞和瑞士按許可證制造了幻影IIIE。在否決了安裝“阿汶”發動機的幻影IIIO 後，澳大利亞人開始對自行生產幻影IIIE 起了興趣，1960 年 11 月選中該機作為洛克希德 F-104“星際戰鬥機”的後繼機。與後者相比幻影IIIE 在簡易機場的操作能力和多用途能力要遠勝之。澳大利亞的首批訂單為 30 架，編號還是幻影IIIO，這也是澳大利亞皇家空軍裝備的第壹種來自歐洲大陸的軍用飛機，同時還是第壹種公制單位的軍機。
幻影IIIO 沿用了“阿塔”發動機，與幻影IIIE 的主要區別就是安裝了壹個斯佩裏雙電羅經導航儀，取消了 SEPR 火箭發動機，空余的空間被用作油箱。澳大利亞人***生產過兩種幻影”IIIO，壹種是幻影IIIO(F)，為截擊型；還有壹種是幻影IIIO(A)，為攻擊型。幻影IIIO(A)安裝馬可尼 CW 多普勒雷達導航設備，後期型還引入“濕”機翼前緣以增加載油量。此外澳大利亞皇家空軍還采購了幻影IIID 雙座教練機，該型號將在後文闡述。
澳大利亞政府飛機廠（GAF）和聯邦飛機公司（CAC）負責制造幻影IIIO。澳大利亞訂單中的首批 12 架飛機使用達索提供的套件組裝，接下來 25 架采用法制機身，其他組件由澳大利亞自行制造，最後 79 架大體實現了國產化。CAC 制造包括發動機和操縱翼面在內的主要組件，GAF 負責其他組件的制造以及總裝。1963 年 3 月澳大利亞幻影了首飛，最後澳大利亞***制造了 116 架幻影，其中包括 49 架幻影IIIO(F)、51 架幻影IIIO(A)，以及 16 架幻影IIID。
少量幻影IIIO(A) 被改裝成偵察機，機頭的“西拉諾”雷達被壹部下視膠片相機取代，為此修改了機鼻的外形。在 1967~1979 年，所有幻影IIIO(F) 都按幻影IIIO(A) 標準進行了改裝，稱為幻影IIIO(FA)。澳大利亞幻影在服役生涯的後期獲得了壹些有趣的外掛，例如美制 AN/ALQ-72 幹擾吊艙和“鋪路”激光制導炸彈（不過只能依靠第三方對目標進行照射）。1988 年澳洲幻影退役，1990 年幸存的 50 架賣給巴基斯坦，其中壹些經過大修後進入巴空軍服役，另壹些作為備件儲存。 幻影IIIE 還派生出了幻影IIIR 偵察型，該型號具有幻影IIIE 的機體、幻影IIIC 的航電，機鼻雷達被相機取代，保留了“德發”機炮和外掛武器能力，機鼻中安裝了 5 臺奧米茄相機。
法國空軍***裝備了 50 架生產型幻影IIIR（不包括兩架原型機），有趣的是幻影IIIR 還比幻影IIIE 早服役。瑞士和南非也購買了幻影IIIR，其中瑞士購買了壹架幻影IIIRS，然後按許可證生產了 17 架。與幻影IIIS 壹樣，瑞士的幻影IIIRS 也經過了 ISAM 升級，安裝了鴨翼和新型航電。
瑞士空軍的幻影IIIRS 與少數雙座幻影教練機最後在 2003 年末退役。在此之前瑞士幻影IIIS 已經全數退役。 達索銷售部在忙於承接幻影單座戰鬥機訂單時，公司也不忘研制同型教練機來幫助新飛行員盡快熟悉這種高速戰機。幻影IIIB 教練機的前機身加長了壹米，並拆除了機炮以安裝第二個座位。此外幻影IIIB 還取消了雷達和 SEPR 火箭發動機，但保留了外掛架。
法國空軍購買了 63 架幻影IIIB，其中包括：原型機和 27 架相似的早期生產型。5架幻影IIIB-1 專用測試機。10 架幻影IIIB-2(RV) 空中加油教練機，在機鼻安裝了模擬空中加油探桿，用於幻影IV 轟炸機飛行員的空中加油訓練。20 架幻影IIIBE——幻影”IIIE 的對應教練型，加長了機鼻，取消了幻影IIIB 的垂尾 HF 天線，在前機身下方兩側增加了小邊條，換裝了“阿塔”09C-3 發動機，而不是幻影IIIC/IIIB的“阿塔”09B，所以具有花瓣式尾噴管。
70 年代中期，幻影IIIB 225 裝上了線傳操縱系統進行測試，編號改為幻影IIIB-SV，“SV”是法語“變穩”之意，為幻影2000 鋪路。
許多外國客戶也購買了幻影IIIB，編號中大多都有各自的國別識別碼。還有壹些客戶購買的幻影IIIB 就根據各自裝備的幻影單座戰鬥機型號被稱為幻影IIID 或幻影5B 了。不管編號如何變化，這些雙座幻影教練機大體上與幻影IIIBE 相同，只在細節和設備方面有少許改動，或幹脆就完全壹樣。例如巴西獲得的法國空軍兩架二手幻影”IIIBE，編號就改為了幻影”IIIBBR，埃及獲得的 3 架幻影”IIIBE 編號改為了幻影5SDD。阿布紮比、阿根廷、澳大利亞、比利時、巴西、智利、哥倫比亞、埃及、加蓬、利比亞、巴基斯坦、秘魯、西班牙、瑞士、委內瑞拉、紮伊爾購買了全新的幻影教練機，其中澳大利亞和比利時在本地按許可證進行了生產。 幻影III/5/50 家族中最有趣的型號也許就是幻影IIIV 垂直起降戰鬥機了，該機在主發動機兩側安裝了 8 臺小型垂直升力發動機。60 年代中期，達索應北約對垂直起降打擊戰鬥機的需求而研制了幻影IIIV。
為了驗證升力發動機的概念，達索改裝了第壹架幻影III 原型機，安裝 8 臺羅-羅 RB-108 升力發動機，每臺推力 980 千克。改裝後的驗證機被稱為“巴爾紮克 V”或“巴爾紮克”，其中的“V”就是代表了“垂直起降”。1962 年“巴爾紮克”進行了首次懸停飛行，1963 年 3 月進行了首次從懸停到平飛狀態的轉換飛行。實際上“巴爾紮克”這個名字並不是來自那位法國大文豪，而僅僅是因為該機是第壹架幻影III 原型機，序列號為 001，而在當時法國有家著名的電影廣告公司，他們的電話就是“BALZAC 0-0-0-1”。
1964 年 1 月“巴爾紮克”墜毀，飛行員不幸遇難，該機被修復後在1965 年 9 月再壹次墜毀，又損失了壹名飛行員。
同時達索也在研制全尺寸的幻影IIIV，幾乎是“巴爾紮克”的兩倍大，***制造了兩架。1965 年 2 月首架幻影IIIV 進行了第壹次懸停測試。幻影IIIV 沿用了普通幻影戰鬥機的氣動布局，但是機身更長，機翼更大，並且和“巴爾紮克”壹樣安裝了 9 臺發動機：壹臺經過斯奈克瑪改裝的普惠 JTF-10 渦扇發動機，軍用型號 TF104，最大推力 6,300 千克；8 臺羅-羅 RB162-1 升力發動機，單臺推力 1,600 千克，安裝在主發動機兩側。TF104 原本打算用於幻影IIIT 驗證機，後者相當於換發的幻影IIIC。
TF104 很快就被推力更大的 TF106 取代，推力增加到 7,600 千克。1966 年 3 月，第壹架原型機進行了首次轉換飛行，該機在之後的試飛中達到了 1.32 馬赫的速度。
第二架原型機換裝了推力 8,400 千克的 TF306 發動機，於 1966 年 6 月首飛。同年 9 月該機在平飛中達到了 2.04 馬赫的速度，但在 1966 年 11 月 28 日因事故而損失。第二架原型機的墜毀導致了整個項目的失敗，並且也扼殺了北約 2 馬赫垂直起降戰鬥機的發展。英國當時正在研制“茶隼”垂直起降驗證機的超音速型號——霍克 P.1154，但因北約這個國際合作項目選擇了幻影IIIV，所以 P.1154 也只能被放棄。
英國在 P.1154 被取消後把該機的壹些設計特點應用在“茶隼”的生產型設計上，最終導致非常成功的“鷂”戰鬥機的出現。幻影IIIV 的設計從開始就註定了該機悲劇的命運，8 臺升力法定繼承是後勤維護的噩夢，在平飛時這些發動機就是死重，嚴重降低了航程和載荷。