蘇-27的固定武器選用和米格-29一樣的30毫米AO-17雙管機炮，導彈也采用同樣的R-27 、R-73和R-60M ，兩機的不同處在于掛載導彈的數量上。由于最初是把蘇-27作為截擊機來設計的，因此，它雖然有8 噸的載彈量，但只能掛載無制導炸彈和火箭彈。掛裝的導彈也根據空軍的要求進行了改變。到最后，蘇-27可以使用R-13M1 、R-14 、R-60和R-73四種近距離空空導彈，以及R-27ET 和R-27ER型中程空空導彈。原來準備使用的AO-17機炮通過了地面測試，但隨后被放棄，而采用了重新設計的30毫米TBK-687單管機炮。1977年完成了TBK-687的全尺寸模型，1983 年正式命名為Gsh-301，裝備蘇-27和米格-29 ，而AO-17 機炮在1982 年成為了米-24P 和蘇-25的標準武器。AO-17 和Gsh-301 的炮彈可以通用。
到了1975年，蘇-27的初期設計工作終于結束了，空氣動力結構、機體設計已經完成，基本設計思路也已經找到，是制造原型機的時候了。在長長的挑鼻內是雷達艙。座艙及風擋內可以看到360度全向視野，另外還有一個后設備艙。前起落架被安裝在座艙下、紅外傳感瞄準系統安裝在座艙正前方的機身下沿中軸線上。兩臺發動機被安裝在機身下沿中軸線對稱布置的發動機艙內，發動機艙之間的空間可以用來掛載空對空導彈。為了能讓發動機在各種速度和高度上都能在最好的狀態下工作，進氣道被裝在機翼邊條翼下，并安有進氣導流板，以控制在各種角度上 的進氣量。飛機總共有8個武器掛架：機身下發動機艙之間有2個、進氣道下各有1個，每邊主翼下各有2個，除了主翼下最外側的掛架只能攜帶100千克級的近距格斗導彈外，其他掛架都可以掛載250-300 千克級的遠程空空導彈。
盡管制造中的原型機比設計指標中的更大，更重，飛機的基本性能卻沒有大的改變，如正常起飛時翼載為375千克/平方米，起飛推重比1.15也與設計一致。飛機的空重為14 300千克，在掛載武器并裝上正常的燃料（5 300千克）時起飛重量為22100千克，滿載燃料時的最大起飛重量為25700千克。機長1 9.65 米，翼展14.7 米，機翼面積59.4 平方米，在地面上的飛機高度5.87 米。
試飛定型
由于AL-31F發動機尚未完成，T-10-1只能使用AL-21F-3渦噴發動機，這種發動機比AL-31F更加笨重、功率更小、效率更低。但這并不影響T-10-1在1977年進行首飛，1978-1979年，AL-31F投入大批量生產后，T-10才使用了新的發動機。試飛工作在試飛組嚴格監督下開始了。在通過了地面測試和高速滑行測試之后，試飛組給予了試飛許可。
1977年5月20日，在蘇霍伊設計局首席試飛員、蘇聯英雄瓦拉米爾·伊留申的駕駛下，T-10-1（機頭號10 ）首次沖入了藍天。隨后，試驗了新型戰斗機的操控系統。當時，T-10-1還沒有安裝火控系統。在以后的8個月中，T-10-1進行了38 次飛行（到了1985年，T-10-1圓滿地完成了它所有的飛行任務，被送到莫斯科附近的莫尼諾空軍博物館保存）。1978年，蘇霍伊設計局制造了另一架原型機T-10-2 ，它的飛行測試由耶夫格尼·索諾約夫進行。1978年7月7日，索諾約夫駕駛它進行中、高空飛行項目的測試，當他在11000米和5000 米飛行時，一切都很正常，但當他下降到1 000米高度準備測試一下1000千米/小時速度下的性能時，飛機的過載一下子高得超出了他的預料。飛行員立即向前推桿試圖保持飛機的平衡，這使飛機的過載立即變為-8G。這些無意義的努力沒能挽救他，飛機的動能損失之快超出了飛行員的想象，飛機墜毀在地面上．這次事故促使蘇霍伊設計局為蘇-27加裝了電傳操縱系統。
蘇霍伊設計局又開始制造第二批的兩架T-10-3和T-10-4。與此同時，留里卡發動機設計局也加緊為T-10-3、T-10-4 制造AL-31F 發動機，不過，發動機還不是正式的生產型，而是AL-31FN。等到T-10-3、T-10-4制造出來，AL-31FN 也完成了，并被迅速地安裝在T-10-3、T-10-4 上。1979年3月，T-10-3 的組裝完成，試飛員還是瓦拉米爾·伊留申。但完成了地面測試之后，試飛組和試飛員都不批準它上天，因為運來的AL-31FN存在缺陷。最后，大家的結論是必須將發動機送回去改進。留里卡設計局立即展開改進工作，改進了這些缺陷。1979年8月23 日，伊留申完成了T-10-3 的首次飛行。1個月后，裝有雷達的T-10-4 也被運到機場，用于雷達系統的測試。
至此，已經有4架原型機參加試飛計劃，第一批預生產型也即將投產，似乎一切都按計劃進行著。在1979年11月發生敘利亞6架米格-23與2架以色列的F-15A對抗事件，結果是米格機大敗。空戰過程分析出來后讓蘇聯大為吃驚，F-15的空戰性能遠超過原來估計。
另外，通過由波蘭間諜馬里安·佐查斯基搞來的F-15性能資料對比，設計師發現T-10還不能與它的競爭對手相比，很多地方仍處下風。這無疑對花了10年時間費盡心思的蘇聯人來說是個沉痛打擊。究竟是把中等水平的飛機推向生產線，還是繼續改進呢？擔任項目總設計師的西蒙諾夫堅決反對將現有布局的飛機批生產，他認為現有方案存在著不可原諒的缺陷。由于發動機和機載航電設備需要進一步改進，而改進后的設備重量將增加幾百千克，使總重量超重，并使飛機重心前移，從而喪失靜不穩定布局的優勢。計算和模擬空戰也表明，現行狀態下的飛機與美國同類飛機相比沒有優勢。可是改變這些缺陷談何容易，幾乎等于重新設計一種飛機。盡管遭到大多數人的反對，但西蒙諾夫顯示出非凡的勇氣，他說：“如果沒有戰爭，誰也不知道它的平庸，但我們的武器應該擁有最高的水平”。西蒙諾夫冒險采取措施，對飛機結構進行了大改，但不久他卻被調離原來崗位。
西蒙諾夫頂住來自工廠、研究所內部外部、政府領導層的壓力，為了設計出最完美的飛機下令從頭來過，幾乎重新設計蘇-27。實踐證明他是正確的。按新要求制造的T-10S，與T-10有較大差別。
按新要求制造的T-10-7和T-10-12被命名為T-10S-1和T-10S-2。T-10S與T-10相比改進很多，主要是飛機氣動布局做了重新設計：加大機翼面積、減小后掠角、除去翼刀、將弧性的翼梢改為方形并加導彈發射軌、后緣襟翼和副翼改為單一的襟副翼并增加了計算機控制的前緣襟翼、減速板從機身下方改為與F-15一樣的機背減速板；進氣道改進：為了避免引擎吸入跑道上的雜物，前起落架向后移到兩個進氣道之間，進氣道內也加裝防雜物吸入的網狀隔板；發動機艙重新設計：機匣由發動機底部移到了上部，這樣雙垂尾也得挪個地方而放置到兩個發動機外側，而尾噴口也變為可調式；以上幾處改進使得飛機的橫截面面積大幅減小，綜合提高了蘇-27的機動性、速度、航程。其他諸如機頭、機尾、座艙、起落架等許多地方也作了明顯的改進。
改進工作與原型機試飛工作是同時進行的。當T-10-1試飛成功時，全新改型機也開始組裝。1981年進行了飛行試驗，由于改動太大，原來準備批量生產的設備均無法用于改型飛機，一直等到1982年初，在共青城才結束了結構加強型的蘇-27批量裝配準備工作。而米格-29已經于1983年開始交付部隊使用。各種壓力下，蘇-27面臨可能流產境地。
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