日本防卫厅订购了两架单座 FS-X 和两架双座 TFS-X 原型机，外加两架静态测试机。1995 年 1 月 12 日首架 FS-X 原型机（标上了 TRDI 暂时性的 63-0001 序列号）在三菱小牧南工厂下线，1995 年 10 月 7 日在名古屋附近的小牧航空基地进行了持续 38 分钟的首飞，试飞员是三菱的渡边吉之，时年 43 岁。1996 年 12 月 23 日第二架原型机，单座的 63-0002 也进行了首飞。
1996 年 FS-X 有了正式的编号——F-2，单座型编号为 F-2A，双座型是 F-2B。1996 年 3 月 22 日首架原型机 XF-2A（63-0001）正式移交防卫厅，3 月 26 日该机前往岐阜基地的自卫队航空研发和试验团展开试飞。两架双座的 XF-2B 原型机（63-0003 和 63-0004）分别于 1997 年 8/9 月交付。两架静态测试机在 TRDI 的立川工厂进行了 6,000 小时的疲劳和结构测试。
4 架原型机分别进行4个方面的测试第一架 XF-2A 主要进行飞行测试。测试飞机的飞行品质，性能、发动机系统测试；第二架 XF-2A 进行飞行品质测试、外挂飞行、电子系统，任务稳定性系统性能测试：第一架XF-2B进行飞行测试、滚转、任务稳定性，系统性能和通信/导航/识别（CNI）系统测试；第 4 架 XF-2B 则是进行火力测试，武器测试投放以及任务稳定性测试。第三架飞机完成了尾旋测试。第四架双座型飞机上由于安装了试验仪器，因此只能有一名飞行员。
XF-2 的 1,000 架次飞行测试被分成 4 个阶段。第一阶段用来进行基本的飞行测试。掌握飞机飞行性能。1995 年第 4 季度开始，1996 年第 3 季度结束。第二阶段测试分配给系统测试、飞机蒙皮和飞机结构测试。这个测试从 1996 年第4季度开始，1997 年第 3 季度结束。第三阶段的测试主要是进行任务稳定性测试。包括机炮发射和其他武器测试，1997 年第 3 季度开始，1998 年第 2 季度结束。第四阶段测试的重点是最终测试，在 1998 年第二季度到 1999 年 3 月进行。
1998 年 7 月 28 日，日本防卫厅发现 F-2 在试飞过程中一体成型复合材料机翼因耐不住高压高振动飞行环境而发生结构龟裂的严重弊病，其服役时间只能再度拖延。但日本防卫厅仍旧决定所有 4 架 XF-2 在 1999 年继续进行测试。日本防卫厅宣布“振动可能是由于电脑辅助作动产生的”。在特定情况下，飞机尾旋性能也需要改进.副翼部分的连接也需要加强，电池内的电子感应器和辅助发电器也存在问题。这些问题使飞行测试时间增加了 9 个月。
1999 年 5 月，东京附近的 TRDI 第三研究所进行静力测试时，一号机主翼内部发生裂纹现象，静力测试只能暂时停止 3 个月，整个计划因而推迟。10 月 12 日首架批生产型 F-2 在小牧南机场首飞。不过当年 10 月飞行测试时又发现新问题，特别是在携带 8 枚导弹时，在发射 4 枚后剩下 4 枚（两翼下 2 枚，翼尖 2 枚）情况时，飞机如果处在跨声速水平飞行状态会产生自行滚转现象，垂直尾翼也测到超过计算值的应力。为了找出问题以及确认新的飞行测试时间表，计划又推迟了 3 个月。日本防卫厅于 12 月 30 日宣布 F-2 项目延后至 2000 年 6 月为止，并增加 5 亿 5,100 万日元的预算。
日本防卫厅进行的测试是由两个公司分别负责的。最初一半的测试由技术研发所进行，但测试人员都是JASDF 的人员。以后的测试则是由 JASDF 的航空测试发展中心（ATDW）进行的，而这些飞机原本隶属于 TRDI，由于更换了隶属单位，编号和很多东西都要发生变更。1997 年 12 月 1 日，所有 4 架 XF-2 的编号从技术研发所序列改为 JASDF 序列。第一架 XF-2A 从 63-0001 改成 63-8501，第二架 XF-2A 从 63-0002 改成 63-8502，第一架 XF-2B 从 63-0003 改为 63-8101，第二架 XF-2B 从 63-0004 改为 63-8102。所有生产型的 F-2A 的生产序号都是 85 开头，所有 F-2B 飞机的编号都是 81 开头。
