原型机试飞
由于AL-31F发动机尚未完成，T-10-1只能使用AL-21F-3涡喷发动机，这种发动机比AL-31F更加笨重、功率更小、效率更低。但这并不影响T-10-1在1977年进行首飞，1978-1979年，AL-31F投入大批量生产后，T-10才使用了新的发动机。试飞工作在试飞组严格监督下开始了。在通过了地面测试和高速滑行测试之后，试飞组给予了试飞许可。
1977年5月20日，在苏霍伊设计局首席试飞员、苏联英雄瓦拉米尔·伊留申的驾驶下，T-10-1（机头号10 ）首次冲入了蓝天。随后，试验了新型战斗机的操控系统。1978年，苏霍伊设计局制造了另一架原型机T-10-2，不过在试飞过程中，1000米高度测试1000千米/小时速度下的性能时发生故障飞机坠毁，飞行员丧生。这次事故促使苏霍伊设计局为苏-27加装了电传操纵系统。
苏霍伊设计局又开始制造第二批的两架T-10-3和T-10-4。与此同时，留里卡发动机设计局也加紧为T-10-3、T-10-4 制造AL-31F 发动机，不过，发动机还不是正式的生产型，而是AL-31FN。等到T-10-3、T-10-4制造出来，AL-31FN 也完成了，并被迅速地安装在T-10-3、T-10-4 上。不过由于发现AL-31FN存在缺陷并进行改进。1979年8月23 日，伊留申完成了T-10-3 的首次飞行。1个月后，装有雷达的T-10-4 也被运到机场，用于雷达系统的测试。
后续改进
至此，已经有4架原型机参加试飞计划，第一批预生产型也即将投产，似乎一切都按计划进行着。在1979年11月发生叙利亚6架米格-23与2架以色列的F-15A对抗事件，结果是米格机大败。空战过程分析出来后让苏联大为吃惊，F-15的空战性能远超过原来估计。
另外，通过由波兰间谍马里安·佐查斯基搞来的F-15性能资料对比，设计师发现T-10还不能与它的竞争对手相比，很多地方仍处下风。西蒙诺夫显示出非凡的勇气，他说：“如果没有战争，谁也不知道它的平庸，但我们的武器应该拥有最高的水平”。西蒙诺夫冒险采取措施，对飞机结构进行了大改，但不久他却被调离原来岗位。
Su-27的设计师西蒙诺夫
西蒙诺夫顶住来自工厂、研究所内部外部、政府领导层的压力，为了设计出最完美的飞机下令从头来过，几乎重新设计苏-27。实践证明他是正确的。按新要求制造的T-10S，与T-10有较大差别。
按新要求制造的T-10-7和T-10-12被命名为T-10S-1和T-10S-2。T-10S与T-10相比改进很多，主要是飞机气动布局做了重新设计：加大机翼面积、减小后掠角、除去翼刀、将弧性的翼梢改为方形并加导弹发射轨、后缘襟翼和副翼改为单一的襟副翼并增加了计算机控制的前缘襟翼、减速板从机身下方改为与F-15一样的机背减速板；进气道改进：为了避免引擎吸入跑道上的杂物，前起落架向后移到两个进气道之间，进气道内也加装防杂物吸入的网状隔板；发动机舱重新设计：机匣由发动机底部移到了上部，这样双垂尾也得挪个地方而放置到两个发动机外侧，而尾喷口也变为可调式；以上几处改进使得飞机的横截面面积大幅减小，综合提高了苏-27的机动性、速度、航程。其他诸如机头、机尾、座舱、起落架等许多地方也作了明显的改进。
改进工作与原型机试飞工作是同时进行的。当T-10-1试飞成功时，全新改型机也开始组装。1981年进行了飞行试验，由于改动太大，原来准备批量生产的设备均无法用于改型飞机，一直等到1982年初，在共青城才结束了结构加强型的苏-27批量装配准备工作。而米格-29已经于1983年开始交付部队使用。各种压力下，苏-27面临可能流产境地。
总设计师仔细研究米格-29与F-15后得出结论，米格-29并没有全面超过F-15。所以认为苏-27还是有希望的。军方内的狂热支持者也对苏-27继续投产起了帮助。他们的目标非常简单明确：苏联必须拥有超过F-15的第一流战斗机。
第一架T-10S-1于1980年出厂，1981年4月20日首飞，试飞员还是伊留申。然而此时的T-10S显然不够可靠：1981年9月3日因燃油系统故障T-10S-1（T-10-7）坠毁，伊留申死里逃生；随后生产的T-10S-2（T-10-12）更好不到哪里去，1981年12月23日由于前缘襟翼故障坠毁，试飞员亚力山大·科马诺夫不幸牺牲。
一直到生产第17架原型机以后，才正式定型
1982年，测试基地又增加了几名新成员：T-10-14/15/16/17 ，其中T-10-14 被用于地面静力测试。1982年6月2日，试飞员伊沙科夫驾驶着苏-27的正式生产型T-10-17完成了试飞。接着，共青城飞机制造厂又造出了9架：T-10-18~T-10-27。这些飞机加入试飞后，让设计局进一步掌握了飞机的特性。针对飞行测试中出现的各种事故，苏霍伊设计局不断地改进和完善飞机。
1982年5月31日出厂的T-10-17（由T-10-7/T-10S-1发展而来）还算幸运，尽管第一次试飞上天就飞掉一个机翼，不过飞机和试飞员尼古拉·萨多夫尼科夫（N.Sadovnikov）都保住性命，而且通过这次飞行找到了前两次事故的解决方案。
经过一系列的改进，真正的生产型苏-27终于在1982年11月出厂。可是由于电子设备尤其是雷达系统问题解决缓慢，直到1985年苏-27才正式交付部队服役。这样，从1969年刚开始研制到正式服役，苏-27已经走过了16个春秋！而美国的F-15则从1969年末麦道签订研制合同、1972年原型机首飞到1974年末正式服役只用了5年!不过很明显这多出来的十年苏联人没有白干：Su-27的记录创造机P-42（T-10S改）打破F-15先前创下的爬升时间、速度、高度等多项记录；在与F-15的模拟空战中，苏-27的胜率为1.35:1；1987年与挪威P-3B反潜机遭遇时以垂尾切开其发动机舱并安全返航。
武器装备
固定武器为一门30mmGSh-30-1机炮，挂架下可挂载AA-8、AA-9、AA-10、AA-11等空空导弹，各型空地导弹，各种炸弹以及火箭发射巢。
机炮：
GSh-30-1 型 30 毫米机炮
GSh-30-1型 30 毫米机炮是苏-27 系列的唯一固定武器，它是一种超轻量型单管转膛式机炮，根据俄罗斯所公布的资料，其全备重量只有 43.5 公斤，为现有同口径机炮中重量最轻的系统。该机炮使用激光测距瞄准系统，据说精确度极佳，但大量采用轻量材料的结果使其使用寿命减低，未经证实的资料指出标准寿命大约 2,000 发左右，火炮的最高射速 1,600发/分。在苏-27系列的各型战机中，该机炮的弹舱内装有 150 发备用炮弹。
空空导弹：
R-60（AA-8）
R-60是锦旗设计局于 1960 年代末期至 1970 年代初期发展的红外线制导短距空对空导弹，系 K-13(AA-2) 系列导弹的后继型，就发展历史上属于第三代苏制空对空导弹。R-60的重量和尺寸都只有 K-13 的 70%，为一种袖珍型格斗导弹，因此可由 APU-6011M 型双重挂架挂载。
R-27（AA-10）
R-27 是锦旗设计局于 1970 年代中期主导发展的中远距空对空导弹，用来取代老旧的 K-13 和 R-23 系列导弹，以配备在 MiG-29、SU-27 等战斗机上。与先前的苏制导弹相同，R-27 有雷达制导型和红外线制导型两大系统，自 1982 年服役以来至少已推出 7 种型号，分别是：R-27T ：中距惯性指挥修正暨红外线制导型，最大射程约 40 公里。
R-27PS：供 MiG-27D/K 攻击机使用的特种短距红外线制导型，最大射程不详。
R-27R：中距惯性指挥修正暨半主动雷达制导型，最大射程约 50 公里。
R-27ET： R-27T 的增程型， 最大射程增为 70公里。
R-27ER： R-27R 的增程型， 最大射程增为 75公里。
R-27AE：远距惯性指挥修正暨主动雷达制导型，最大射程约 80 公里，具有较佳的低空目标攻击能力和抗电子干扰能力。
R-27EM：远距惯性指挥修正暨半主动雷达制导型，最大射程约 110 公里，提高对低空目标的攻击能力。
R-73（AA-11)
R-73是锦旗设计局在 1970 年代末期发展的第四代苏制格斗导弹，由于与 R-60 系出同门，因此两型导弹具有若干相同的特徵。除了取代 R-13M 导弹外，R-73 还可填补R-60与R-27系列导弹的性能间隙，因此在苏-27、米格-29等新型俄制战机上，经常发现 R-60、R-27、R-73 导弹混合挂载。
苏-27战斗机空面导弹
Kh-23
Kh-23是星辰设计局（ZvezdaOKB）在 1965 年所研制的短距遥控制导空对地导弹，属于较早期的俄制战术空对地武器。Kh-23 的气动布局和若干部件与 K-5 空对空导弹相同，所使用的火箭发动机更是为 K-8V 空对空导弹所研制，于 1968 年服役的 Kh-66 是此系列的第一种服役型，自 1973 年起陆续推出 Kh-23、Kh-23M 和Kh-24 反辐射型，但对于 SU-27 来说它们已经算是较老旧的武器。
Kh-25MR/ML（AS-10）
Kh-25是星辰设计局在 1960 年代末期/ 1970 年代初期研制的武器，于 1974 年开始服役，可视为第二代俄制战术空对地导弹。Kh-25 的外形与 Kh-23 非常相似，因此被外界视之为后者的改进型，族系中有 Kh-25MR 无线电遥控型和 Kh-25ML 激光制导型两种，另外还衍生出 Kh-25MP 反辐射型，但西方将它另外归类于 AS.12 系列。
Kh-25MP、27PS（AS-12）
这两型导弹是星辰设计局由现有的系统改进发展而成，主要是作为 Kh-28 导弹的后继系统，由于它的重量较轻，使得搭载母机能从低空发射，搭载母机因而可获得较佳的作战存活性。Kh-25MP 属于俄制第一代战术反辐射导弹，其技术层次约略与美制百舌鸟（Shrike）导弹类似，性能已不符现代作战的需求。
Kh-28（AS-9）
Kh-28是彩虹设计局（RadugaOKB）在 60 年代末期所发展的中程反辐射导弹，于 1971 年开始服役，当时主要是配备在 雅克-28 远距拦截机上。Kh-28 的尺寸巨大，功能与体积更大的 AS-4 和 AS-6 反辐射导弹相同，在远距离攻击陆基与舰载雷达，它甚至可利用空对地导弹的射控雷达锁定目标。
Kh-29（AS-14）
Kh-29是锦旗设计局在 1970 年代发展的激光与电视制导空对地导弹，大约于 1980 年代开始服役，属于第三代俄制战术导弹，是一种与美制小牛导弹同级的武器系统。Kh-29 至少有 3 型问世，分别是电视制导的 Kh-29T、半主动激光制导的 Kh-29L、红外线制导的 Kh-29D、反辐射型的 Kh-29MP，可配备在多型俄制战机甚至是伊拉克空军的法制幻影F1 战斗机上。
Kh-31（AS-17）
Kh-31系列是 1990年 代问世的最新火箭/冲压发动机战术导弹，于 1991 年的迪拜航空展首度出现。确定有 Kh-31A 反舰型和 Kh-31P 反辐射型两种问世，另外还有 Kh-31U 增程型和 Kh-31H 改进型两种反辐射导弹在发展，为了对付空中早期预警机还研发新的空对空衍生型，由于该系列导弹的最高速度高达 3 马赫以上，因此颇受西方国家关注。
Kh-35（3K-60）
Kh-35是 1992 年莫斯科航空展首度出现的新型空射反舰导弹，它是一系列反舰导弹的一型，同系列导弹共有舰载型、岸防型和空射型 3 种，其中舰射型被北约称为 X-N-25。 Kh-35 的外型与美制 AGM84 鱼叉（Harpoon）反舰导弹相似，由星辰设计局负责导弹研制，其研发工作早在 1980 年代初期便展开。
Kh-41（3M80）
Kh-41 是著名的SS-N-22超音速反舰导弹的空射衍生型，为彩虹设计局在 1980 年代初期研发的系统，在1992 年的莫斯科航空展首度出现，由于速度快、弹头威力强，是西方恐惧的空射反舰导弹。
其他：反舰导弹Kh-58/59、反潜导弹、制导炸弹等。