Постройка первого опытного самолета Т10-1 началась в 1976 г., а 20 мая 1977 г. истребитель впервые поднялся в воздух. Машину пилотировал летчик-испытателъ В.С. Ильюшин. В 1978 г. был построен второй опытный самолет Т10-2 (7 мая 1978 г. эта машина потерпела катастрофу, погиб летчик-испытатель Е. Соловьев). В1979 г. совершил первый полет самолет Т10-3, оснащенный новым, более мощным и экономичным двигателем АЛ-31Ф. На этой машине, в частности, были выполнены в 1982 г. первые полеты с трамплина — прообраза взлетного устройства перспективного авианосца.

Самолет Т10-4 использовался для отработки системы управления вооружением и пилотажно-навигационной системы. В 1981—1982 гг. в Комсомольске-на-Амуре было построено пятъ самолетов опытной серии — Т10-5, Т10-11. Однако в то время, когда Т10-1, Т10-2 и Т10-3 уже проходили летные испытания, выявилось отставание летных характеристик самолета от требований, заданных правительственным постановлением. Возникло сомнение в том, что будет обеспечено превосходство Су-27 над основным «потенциальным противником» — самолетом ВВС США F-15. Это было вызвано как превышением, по сравнению с расчетным, массы БРЭО Су-27, так и меньшей, чем ожидалось, экономичностью двигателя АЛ-31Ф. В сложившихся обстоятельствах учеными ЦАГИ вновь было предложено принять уже отработанную концепцию трапециевидного крыла с корневым наплывом и отклоняющимися носками. Исследования и продувки в АДТ новой компоновки Су-27 были проведены в ЦАГИ в 1978—1980 гг. В результате тесного сотрудничества ОКБ и ученых был создан фактически другой самолет, имевший новое трапециевидное крыло.

Первый видоизмененный самолет Т10-7 (Т10-С), ставший прототипом серийного Су-27, поднялся в воздух 20 апреля 1981, а в 1982 г. начался серийный выпуск истребителей Су-27. Согласно результатам моделирования, боевой потенциал Су-27 на 30% превзошел боевой потенциал американского аналога — F-15А.

В 1980 г. был разработан эскизный проект учебно-боевого самолета Су-27уБ, отличавшегося от других отечественных «спарок» способностью в полной мере решать весь комплекс боевых задач. Первый опытный самолет Т10У-1 совершил первый полет 7 мая 1985 г. (машину пилотировал Н. Садовников), а серийный выпуск Су-27уБ начался в Иркутске с 1986 г. Боевая эффективность Су-27уБ на 15% превзошла соответствующий показателъ самолета F-15А.

Опытный истребитель Т10-15, ранее участвовавший в программе летных испытаний Су-27, было решено использовать для установления ряда мировых рекордов. В 1986 г. самолет был значительно облегчен (с него сняли вооружение, часть БРЭО, законцовки килей, подбалочные гребни, тормозной щиток, грязезащитный щиток, подвижные носки крыла заменили неподвижными) и оснащен форсированными двигателями (2 х 13.600 кгс). В 1986—1988 гг. на этой машине, получившей обозначение П-42, летчиками В. Пугачевым, Н. Садовниковым, О. Цоем и Е. Фроловым установ- лено 27 мировых рекордов скороподъемности и высоты горизонталъного полета.

Для установления мирового рекорда скорости по замкнутому 500-км маршруту был доработан другой опытный самолет, Т10-20, получивший обозначение Т10-20Р. Однако рекрдный полет, по ряду причин, не состоялся. В настоящее время Т10-20Р экспонируется в центральном авиационном музее на Ходынском поле (Москва).

В процессе серийного производства самолеты Су-27 продолжали совершенствоватъся. Первые истребители, направлявшиеся преимущественно в войска ПВО (Су-27П), несли лишь вооружение класса «воздух—воздух». На самолетах более позднего выпуска, отвечавших требованиям ВВС (Су-27С), комплекс вооружения был расширен за счет свободнопадаюших бомб калибром 100,250 и 500 кг, а также НАР различных типов. На законцовках крыла стала возможной подвеска контейнеров РЭБ. Были демонтированы противофлаттерные грузы в верхней передней части киля. В измененной хвостовой гондоле были размещены дополнителъные контейнеры АПП-50 с тепловыми ловушками (общее число ловушек достигло 96).

Последние серии истребителей имели усовершенствованную БРЛС, обеспечивающую одновременное наведение двух УР класса «воздух—воздух» на различные цели, отъемную часть кръша с дополнительными узлами внешней подвески (их общее число возросло с 10 до 12, а максималъная боевая нагрузка с 6000 до 8000 кг), а также усиленное шасси, позволившее увеличитъ взлетную массу до 33.000 кг.

Для поставок на экспорт (Китай, Вьетнам) создан экспортный вариант истребителя — Су-27СК («Комерческий»), в целом, соответствующий истребителю Су-27 советских (российских) ВВС, но имеющий несколько измененное БРЭО. Стоимость одного самолета Су-27СК оценивается в 32,5 млн долл. Экспортным вариантом самолета Су27уБ является «спарка» Су-27уБК. Далънейшим развитием Су-27СК стал истребитель Су-27СМК («серийный модернизированный коммерческий»), предназначенный для борьбы как с воздупшыми, так и с наземными целями. По сравненшо с Су-27СК он имеет следующие основные отличия: — число внешних узлов подвески увеличено с 10 до 12; — максимальная боевая нагрузка увеличена до 8000 кг; — усовершенствовано навигационное и связное оборудование, а также система РЭБ; — установлен топливоприемник системы дозаправки в воздухе; — самолет получил возможность нести на подкрыльевых узлах два ПТБ емкостью по 2000 л.