Le premier vol du Mystère IV 01, piloté par Constantin Rozanoff, se déroule à Melun-Villaroche, le 28 septembre 1952. Avec le même réacteur que le Mystère II, il atteint une vitesse maximale en palier de Mach 0,92 (au lieu de 0,87) et, le 17 janvier 1953, à son 34e vol, il passe le mur du son en piqué. Les qualités du nouvel appareil incitent les services officiels à passer commande, dès octobre 1952, de 22 avions de présérie.
En décembre 1952, une mission de l’armée de l’Air des États-Unis conduite par le général Richard Boyd et Charles « Chuck » Yeager vient tester les appareils de combat français afin de sélectionner celui qui doit bénéficier du financement américain dans le cadre de l’OTAN. Le 7 décembre, ils se déclarent très satisfaits du Mystère IV 01. Le 25 avril, six mois seulement après le premier vol de l’appareil, le secrétariat d’État à l’Air passe commande de 225 exemplaires et leurs rechanges, la livraison doit commencer en juin 1954. Ils sont offerts à l'armée de l'Air française dans le cadre de l'US Off Shore Procurment Program.
Au total 411 appareils sont fabriqués et livrés, pour l’armée de l’Air française et pour l’exportation, de 1954 à 1958 ; 114 sont équipés du Rolls-Royce Tay, tous les autres (notamment ceux exportés) de l’Hispano-Suiza Verdon 350 (version plus puissante du Tay). Le dernier des 242 Mystère IV A français est livré à l’armée de l’Air, le 27 novembre 1958. Il termine sa carrière à la 8e Escadre de Chasse de Cazaux où il assure le perfectionnement des futurs pilotes de combat