En janvier 1953, l'Armée de l'air française commande 150 exemplaires de série du Mystère IIC. Après bien des hésitations, le réacteur Atar 101 sera finalement retenu pour les avions de série : les premiers exemplaires reçoivent un Atar 101C, les suivants un Atar 101D. La voilure est produite par la SNCASO à Bouguenais, le fuselage avant par la SNCASE à Toulouse, le fuselage arrière par la SNCASO à Saint-Nazaire et l’empennage par Dassault à Talence. L’assemblage final et les essais sont réalisés à Bordeaux-Mérignac.
Le premier Mystère IIC de série fait son envol en octobre 1954, et le dernier est livré en janvier 1957. La première unité à recevoir l'avion est la 10e Escadre de Chasse de Creil en juillet 1955, suivie par la 5e Escadre de Chasse d’Orange l'été d'après.
La mise en œuvre s'avéra pour le moins délicate, avec un taux de disponibilité mensuel qui dépassait rarement les 50 % et de nombreux accidents. C'est au point qu'en novembre 1957, lorsque les Mystère IIC furent définitivement interdits de vol et remplacés par les Mystère IV, certains avions avaient très peu d'heures au compteur.
Aucun Mystère II ne fut exporté : une commande de 30 avions livrables en 1956 par Israël fut transformée en autant de Mystère IV. L’Inde sembla intéressé mais ne signa aucune commande.