Първият опитен образец на Су-27 се издига в небето с летец-изпитателя Владимир Илюшин на 20 май 1977 година. За летателните изпитания са построени общо пет самолета. Първите образци не надминават по характеристиките си изтребителя F-15 и постоянно се доработват. През 1981 г., вече усъвършенстваният образец на Су-27 - Т-10С, за пръв път излита във въздуха. През 1982 г. започва постоянната му експлоатация в авиационните части, пише "Российская газета".
Четири години по-късно самолетът с летец-изпитателя Виктор Пугачов се изкачва на височина от 3000 м само за 25,4 секунди и поставя световен рекорд. През март 1987 г. летец-изпитателят Николай Садовников поставя още един рекорд на него, издигайки се на 15 км за 76 секунди.
През 1989 г. Су-27 окончателно покорява света на авиосалона в Льо Бурже, където изтребителят показва нова фигура в пилотажа. По-късно тя ще бъде кръстена на пилота - "Кобрата на Пугачов": по време на полет самолетът, без да променя скоростта си, рязко повдигна носа си, увеличавайки ъгъла на атака до 120 градуса, след това за известно време лети дори леко наклонен назад, след което рязко се връща в нормалното си положение. Смята се, че подобен трик може да бъде полезен в битка и да спаси от ракети с радиолокационни глави за самонасочване поради рязкото намаляване на скоростта на самолета. Също така маневрата се използва за избягване противника по време на преследване.
За да се увеличи още ъгълът на атака, е разработен двигател с управляем вектор на тягата. С него изтребителят изпълнява трикове като "Чакрата на Фролов", когато самолетът набира височина и едновременно с това намалява скоростта си, а после от тази позиция прави "мъртва примка" и привежда ъгъла на атака до 360 градуса, тоест практически се завърта в кръг около опашката си.
За изпълнение на сложни трикове на самолета помага и новата електродистанционна система за управление, каквато няма в изтребителите от трето поколение. Електрическите сигнали правят Су-27 супер маневрен и стабилен по време на полет. Изненадващо е, че по кодификация на НАТО той е наречен Flanker-B. Самолетът е оборудван с нов радар, оптикоелектронна система за прицелване и мощен двигател АЛ-31Ф.
Су-27 официално влиза на въоръжение на 23 август 1990 година. Към този момент са отстранени всички недостатъци, установени по време на изпитанията. От старта на серийното производство през 1984 г. са произведени около 1500 Су-27 и неговите модификации, както и съвременни Су-30, Су-33, Су-34, Су-35. Су-27 става и основа за експеримент по създаване на перспективния палубен изтребител Су-47 "Беркут" с обратна стреловидност на крилото и широко използване на композитни материали в конструкцията.