美國空軍在YF-15開始試飛后，就認為F-15過于昂貴，不可能經受得住大規模戰爭中的大量消耗，因此必須有另外一種飛機與之配合；簡而言之就是由重型的F-15擔負爭奪和掌握制空權的任務，而由另一種便宜的戰斗機與敵方戰斗機進行空中格斗。這種輕型戰斗機的武裝不必很強，只要能帶兩枚近距導彈和機炮就行了，但它的機動性要好。1972 年1 月，美國的“輕重量戰斗機”計劃開始實施，這就是后來的F-16。事實上，蘇軍的多次研究也表明：截擊任務要求飛機能夠保持與地面指揮所之間得通訊聯系、同時必須具備高性能的爬升率和加速性，另外還必須裝備有可以上視和下視的大功率雷達；如果是掩護任務，就要求飛機有較大的航程；而在近距離格斗空戰中，高敏捷性、推重比、大速度才是最重要的。在當時，這些高性能要求很難在同一種飛機上有效地結合起來。從另一方面講，也沒有什么限制說空軍只能裝備一種戰斗機。于是，事情就這樣決定了：空軍未來的主力戰斗機將由兩種機型構成，一種是多任務的重型戰斗機，它必須有能力控制敵方防線后戰役縱深（250-300千米）范圍地區的制空權——這個指標與美國空軍給F-15的指標一樣；另一種是輕型戰斗機，它的作戰范圍主要在敵我交戰的前線或敵后戰術地域（100-150千米）爭奪制空權——這個指標也同F-16一樣。
多用途重型戰斗機有很大的燃料攜帶量，并且要增加遠程導彈的數量（增加到4 枚）、可數據上傳的導航系統，先進的通訊和自衛系統；同時它還必須能執行截擊。而輕型戰術戰斗機則必須容易制造和操作，如果沒有什么特別問題的話，稍加地面訓練的飛行員也能操作它，它的武器只需要2 枚遠程導彈和相應的近距格斗武器。在生產花費上，生產1 架重型戰斗機的資源可以生產2 架輕型戰斗機，由這兩種戰斗機組成的戰斗機群（輕型戰斗機與重型戰斗機的組成比率大約為7 : 3 ）將得到最大的效費比。在1972年末，蘇霍伊和米高揚設計局都得到了各自的合同，以發展蘇聯空軍未來的下一代戰斗機——蘇-27和米格-29。
原型制造
根據國防部的命令，蘇霍伊設計局開始了T-10原型機方案的起草工作。首先要從大量的、不同的（不完整的）外形結構中選出一種理想的機體。在1970-1976 年間，蘇霍伊設計局挑選了大量的模型，以試圖找到起落架和進氣道的最佳結構。最后采用了一種三輪車式的起落架結構，這種設計很穩固，起接架的各個系統全部由液壓系統來控制。進氣道和發動機艙的組合也很讓人頭疼，經過大量的試驗和計算，還是采用了將二波系進氣道分開布置在機身邊條翼下的布局。另一個大麻煩是蘇-27的重量限制問題，注意的焦點都集中在如何減少飛機的重量上。經過精心安排，實際起飛重量僅增加9千克。這種重量上的“斤斤計較”使飛機的飛行性能沒有發生行什么明顯的變化。
根據空軍的要求，新型戰斗機必須具備大航程，并且蘇-27的航程必須比對手大10%。美國的F-15 在沒有外掛油箱時航程為2300千米，蘇-27至少要達到2500千米，這使蘇-27至少要攜帶5.5 噸燃料。但根據蘇聯的有關強度標準的要求，任何飛機都必須攜帶達自身燃料重量的80%的備份燃料，這就使飛機重量又增加了3.5 噸之多。盡管燃油重量指標遠遠超過了設計要求，但這也帶來一些問題：按設計要求蘇-27的機身強度應能在80%載油量時可以承受8g的過載，而這個80%的載油量是針對5350千克而言的。如果在載油量為9000千克時達到這個要求的話，那么為加強強度，飛機的空重將會增長到一個可怕的數字。為此，設計師將設計指標改為標準油箱容量為5350千克，剩下的3650千克燃油空間則作為內部副油箱。這樣，蘇-27的最大油量航程由原來的2500千米增長為4000千米。
當時前蘇聯在先進材料技術（尤其是鈦金屬）方面和電傳操縱系統方面（已在蘇霍伊T-4上試驗成功）具有一定優勢，這對后來蘇-27的發展起了很大作用。不過據傳，老蘇霍伊認為靠那時候蘇聯的科技水平尤其是航空電子方面，要造出比F-15好的飛機幾乎是不可能的。但到后來前蘇聯科技人員忘我的工作熱情與輝煌的成果使他對自己的項目充滿了信心。只可惜他自己沒能撐到蘇-27上天的哪一刻，帕維爾·奧西波維奇·蘇霍伊于1975年9月15日與世長辭。在這之后由米哈伊爾·西蒙諾夫擔任主設計師之職。
蘇-27 的動力系統計劃采用2臺大功率的新一代可加力渦扇發動機，但這種發動機的技術要求非常高：如果要讓飛機在起飛和空中格斗中的推重比超過1，發動機在打開加力時推力達到12500千克，這比AL-21F-3 高出了12% ；但同時發動機的單位油耗必須低，否則就不能滿足飛機的大航程要求，與當時大量生產的AL-21F-3 相比，新型發動機的油耗至少要降低25%。同時，蘇霍伊設計局也沒有足夠的時間供發動機設計局“慢慢”研制。經過研究，設計人員們決定采用3 級低壓、9 級高壓和高、低壓渦輪各1級的結構（“3 +9+1+1”方案），渦輪要進行抗熱增強設計（與AL-21F-3相比，工作溫度要高350-400度） ，最后決定采用單晶結構的轉子葉片。但在1970 年初，蘇聯獲得了F-15的F100-PW-100發動機的資料，根據這些資料，決定在AL-31F上采用4級風扇、12 級高壓和高、低壓渦輪各2級的基本結構。新結構的AL-31F發動機在1974 年8月完成了第一臺，但在測試中發現它還存在結構缺陷。留里卡發動機設計局只能再次考慮原來的“3+9+1+1”方案，但4 級風扇已經設計完畢，于是也被加在了這個“3+9+1+1”方案上，這樣，AL-31F發動機的壓縮機機構部分就有些類似另一種著名的發動機——為米格-29研制的RD-33。從制造單晶渦輪轉子的蘇聯航空材料制造廠傳來了一個壞消息，該葉片在進行熱實驗時發現無法滿足熱強度要求，假如要冷卻的話就只能從壓縮機中引氣。那樣做既降低了發動機的推力，又增加了油耗。這樣，AL-31F就趕不上T-10-1的試飛了。一直到T-10-3、T-10-4制造出來的時候，AL-31F才滿足了性能要求，正式成為蘇-27的動力系統．但就整個原型機來說，這只是確定了飛機的外形。
光有外形和發動機的飛機是不能作戰的。為了讓T-10-1具備作戰能力，蘇霍伊設計局開始為它挑選航空電子設備和武器。按照PFI項目中的規定，蘇-27和米格-29的主要設備必須是一樣的。但由于對蘇-27的使用要求更為嚴格，空軍對蘇-27的航空電子和武器又提出了更高的要求：新型的多模式雷達必須具備很強的抗干擾能力和全周上視/下視追蹤目標的能力；可以利用多種設備追蹤目標；新的數字式數據處理器。裝備新型的光電追蹤紅外瞄準具，并且在使用該設備瞄準時可以發射近距導彈和機炮；座艙內要裝上平視顯示器和單色陰極顯示器。根據情報，蘇聯飛機在雷達、電子和計算機水平上要大大落后于國外對手，這就需要研制一種新型的火控系統。經過一番綜合論證，決定為蘇-27安裝OEPS -27光電火控系統（另一種類似的OEPS-29也被裝在了米格-29上）、RLPK-27雷達系統（包含N-001雷達）等一些先進的設備。到了1982年，這種火控系統正式裝備在蘇-27上。
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