20世纪60年代，美国BQM-147G“火蜂”等高空无人侦察机频繁窜犯我国领空，配合大名鼎鼎的U-2高空侦察机，对我国国土安全构成了严重威胁。这些“高来高去”的目标飞行高度常年在18000米以上，当时解放军空军的主力歼击机——歼-6，虽然成熟可靠，但实用升限仅有17000米左右，常常是“看得见、够不着”。为了能有效拦截这些敌人，空军迫切需要一款升限更高、速度更快的截击机。
在歼-7等新型战机数量严重不足的情况下，挖掘现有歼-6平台的潜力成为最务实的选择。毕竟，歼-6技术成熟、维护方便，改装速度快、成本低，能够迅速形成战斗力。此前，在歼-6基础上改进的歼-6I已经初步提高了升限，但空军要求更上一层楼：在歼-6I的基础上继续提升静升限和平飞速度，确保“够得着”敌人的高空侦察机。
于是，1968年5月20日，沈阳飞机厂（原112厂）生产指挥部发出通知，决定在歼-6I的基础上研制一款专用的高空截击机，命名为歼-6II。这项改型任务由曹益祥、毛毅连主要负责，试飞大队配合，空军第一研究所也派技术人员参加。目标是打造一款能够“上刺青天”的专用截击机，专门应对U-2和“火蜂”这类高海拔目标。
歼-6II，机长14.64米（不含空速管），翼展9.04米，机高3.89米。动力装置为两台涡喷-6甲（WP-6A）加力发动机，单台推力29.42千牛。设计指标要求最大速度达到马赫数1.44（约1548千米/小时，在9000米高度），实用升限在17500米至17900米之间（不同来源数据略有差异），最大航程2200千米（带副油箱）。
为了攀登性能高峰，歼-6II在气动和结构上进行了大刀阔斧的改进。首先，在歼-6I型基础上进一步加大了机翼面积，提升了0.6平方米，以增强高空飞行时的稳定性和升力。对进气系统也全面升级。进气道中央加装了可调激波锥，用以改善高速飞行时的进气效率；同时，进气口唇口半径减小，机头周围增加了8个辅助进气门，以兼顾低速状态下的进气量。
此外，为了控制体重，相关工作人员还给歼-6II进行了“减肥”。阻流板、防弹钢板、照相枪、信号枪等非必要设备全部拆除；液压系统合并为单系统，部分氧气瓶也被移除。经过系统性减重，飞机空重控制在5447公斤，最大起飞重量7560公斤。
在火力配置上，歼-6II保留了机翼下挂载“霹雳-2”导弹的能力，同时在机身左侧下方增装一门23-1型23毫米航炮（备弹75发），加上原有的两门NR-23航炮，弥补了导弹数量不足时的火力空白。飞机的瞄准系统则装备了АСП-3НМ型光学瞄准具，强化高空高速条件下的射击精度。
经过7个月的研发，1969年3月25日，试飞员叶光荣驾驶第一架歼-6II成功首飞。同年8月，这架飞机在北京南苑机场进行飞行表演，获得了中央领导的高度评价。
在实际试飞和测试中，歼-6II也暴露出几个难以克服的缺点。
首先，放整流锥进行平飞增速时，阻力反而偏大，导致最大平飞速度不升反降，未能达到预期的马赫数1.44的实际表现。更严重的是，飞行过程中机尾罩温度过高，存在安全隐患。而最令人遗憾的是，它仍然没有达到设想中的2万米静升限——这意味着面对U-2时，依然没有绝对的把握。
1969年9月，首批2架歼-6II交付给空24师使用，成为当时国土防空体系中的重要装备。但由于机尾罩温度过高的问题始终未能解决，该机型最终没有完成设计定型，未能投入批量生产。
外部威胁环境也发生了变化。
1969年底，美军的高空侦察活动基本停止，针对此类目标设计的歼-6II失去了紧迫的作战需求。加上性能更先进的歼-8飞机于1969年7月5日成功首飞，其静升限和速度指标都更高，自然替代了歼-6II的定位。
之后，已经服役的两架歼-6II飞机转给了空49师使用，编号分别为40403和40404，一直服役至退役。
另外，歼-6II有可能出口过巴基斯坦，并于2002年全部退役。
虽然歼-6II没能在中国空军批量服役翱翔蓝天，但是，作为特殊年代的产物，它代表了当时那个时代中国航空工业在外部压力下奋力追赶的缩影。尽管存在性能缺陷和安全隐患，但是这款高空猎手，依然在中国航空史上留下了一笔，并为歼-8等高空高速机型的研发积累了宝贵的技术经验。
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