Le Mirage F1 C entre en service dans l'Armée de l'air fin 1973 au sein du prestigieux Escadron de chasse 2/30 Normandie-Niemen stationné sur la Base aérienne 112 Reims-Champagne, où les premiers F1 C se posent le 20 décembre. Il faudra au total huit ans pour que se termine la transformation des escadrons composant la 30 Escadre de chasse (basée à Reims), la 5 Escadre de chasse (basée à Orange) et la 12 Escadre de chasse (basée à Cambrai), sans oublier l'Escadron de chasse 1/10 Valois transféré à Reims en 1985 pour intégrer la 30 Escadre de chasse.
Rapidement, de nouveaux volets sont installés pour améliorer la manœuvrabilité de l'appareil en combat aérien. Un détecteur d'alerte radar est ajouté au sommet de la dérive à partir du 71 exemplaire. Enfin, à partir du 84 exemplaire, une perche de ravitaillement en vol est montée en série. Cette perche est fixe mais peut être démontée au sol. Les exemplaires qui en sont pourvus sont désignés Mirage F1 C-200.
Initialement, le seul armement disponible est le missile air-air à moyenne portée Matra R530. À la fin des années soixante-dix arrivent les Matra R550 Magic – missiles à courte portée alors installés sur des rails montés en bout d'aile – et le Matra Super 530 F, version nettement améliorée du Matra R530.
Plusieurs versions font peu à peu leur apparition :
- le Mirage F1 A, appareil monoplace d'attaque diurne destiné à l'export, équipé d'un radar Aida II, d'une perche de ravitaillement en vol rétractable et d'un système de navigation et d'attaque par temps clair comprenant en particulier un télémètre radar. L'avion emporte plus de carburant interne que le Mirage F1 C.
- le Mirage F1 B, appareil biplace d'entraînement allongé de trente centimètres pour permettre l'installation d'un second siège, avec capacité en carburant réduite et canons de trente millimètres supprimés.
- le Mirage F1 CR, appareil monoplace de reconnaissance tactique destiné à remplacer les Mirage III R et RD. Le canon droit est remplacé par un capteur infrarouge. L'avion dispose d'un emplacement sous le nez pour une caméra panoramique (Oméra 40) ou verticale (Oméra 33), d'un nouveau système de navigation et d'attaque ainsi que toute une série de pods externes de reconnaissance (caméras, radars, etc.). Le prototype fait son premier vol le 20 novembre 1981 et l'avion entre en service en juillet 1983. Le Mirage F1 CR équipe actuellement, à raison de vingt appareils par unité, les deux escadrons de reconnaissance déployés depuis 1994 sur la Base aérienne 112 de Reims : le 1/33 Belfort et le 2/33 Savoie.
- le Mirage F1 CT, appareil monoplace d'assaut tactique destiné à remplacer les Mirage III E et Mirage 5 F. Il s'agit en fait de Mirage F1 C-200 rendus disponibles par l'arrivée du Mirage 2000 et auxquels on a ajouté un télémètre laser, un nouveau détecteur d'alerte radar et un nouveau siège éjectable. Le système électrique est entièrement remplacé et l'électronique de bord modernisée tandis que la suppression du canon gauche permet par la suite l'installation de deux petites caméras. En tout, cinquante-cinq Mirage F1 C-200 seront convertis en F1 CT, les premiers entrant en service en 1992.
Les Mirage F1 sont exportés en Afrique du Sud dès 1974 puis en Grèce (1975), en Espagne (1976), etc. Au total, onze pays se portent acquéreurs de cet avion et il était encore en service dans la grande majorité d'entre eux en 2006. Différents programmes de modernisation ont eu lieu de façon indépendante dans certains de ces pays. Certains Mirage F1 vendus à l'export sont capables de tirer le missile américain AIM-9 Sidewinder.
À la fin des années 1990, l'Espagne a lancé un programme de modernisation de ses Mirage F1 (amélioration des performances du radar et mise à niveau de l'avionique), dont la réalisation a été confiée à Thomson-CSF. Cette opération doit également permettre de remettre tous les avions au même standard, ce pays disposant en effet de 2 versions différentes (F1 CE pour l'interception pure et F1 EE aux capacités air-sol améliorées) et ayant racheté quelques F1 C à la France.
En 2006 le Maroc a signé un contrat avec ASTRAC pour la modernisation de 27 Mirage F1 : mise à niveau de l'avionique et du poste de pilotage, nouveau radar, nouveaux équipements d'autoprotection, capacité d'emport de missiles MICA et de l'armement air-sol modulaire. Cette modernisation doit se terminer en 2011.
La Libye a signé fin 2006 un contrat de remise en état de vol de douze de ses avions.
