T-10和T-10S的机翼设计对比
另一个设计目标中段机身截面积降低20%以改善跨音速性能，为此西蒙诺夫重新设计了主起落架，把发动机附件传动箱移到发动机顶部，消灭T-10-1腹部的鼓包，还进行了许多局部气动修形。由于发动机传动箱的改动，垂尾也需要从发动机舱上方移到了两侧。
最终，T-10S的垂尾安装在发动机舱两侧的尾撑上，这减少了有效垂尾面积，于是西蒙诺夫又在尾撑下方增加了两片腹鳍。
T-10-1使用起落架舱门兼做减速板
T-10S则采用机背大型减速板
主起落架的重新设计又影响到了减速板，T-10-1使用起落架舱门兼做减速板，而T-10S改为安装在机背的大型单块式减速板，这点和F-15“鹰”一样。
T-10S（虚线）和T-10的轮廓差异
在风洞中进行测试的T-10S缩比模型
1981年4月20日，第一架T-10S-1原型机在弗拉基米尔·伊柳辛的驾驶下首飞，此时苏霍伊莫斯科实验工厂已经制造出了10架T-10原型机。不幸的是，T-10S-1在9月3日的试飞中坠毁。
T-10与T-10S的侧面图对比
阿穆尔河畔共青城的尤里·加加林飞机制造厂从一开始就参与了T-10项目，做好了迅速投产该机的准备。
1982年6月2日，T-10S构型的首架苏-27生产型（北约代号“侧卫-B”）在共青城下线。
试飞中的T-10-17
1985年3月7日，共青城制造的第一架苏-27UB双座型（UB代表战斗教练机）首飞。
共青城在制造了5架苏-27UB之后就把双座型的生产线迁移到伊尔库茨克飞机制造厂。当时伊尔库茨克刚完成米格-27“鞭笞者”战斗轰炸机的生产任务，正处于青黄不接的阶段。伊尔库茨克制造的首架苏-27UB在1986年9月10日投产。与苏联空军当时其他战斗机的同型双座教练机相比（如米格-29UB），苏-27UB保留了单座型的全部火控系统和作战能力。苏-27UB在尺寸上与单座型一致，串列双座的后座舱占据了单座型机背油箱的部分位置。为了补偿抬高的后座，苏-27UB还增高了垂尾。这些改变略微降低了双座型的性能。
双座的T-10U原型机
不一样的苏霍伊
西蒙诺夫在设计T-10S时做出了两个大胆的决定。第一是采用具有连续平滑的翼身过渡的翼身融合气动布局（苏联人叫做整体气动布局）。这种布局具有两大明显优点：高升阻比和能容纳大量燃油和设备。
第二是采用纵向静不稳定设计来提高敏捷性，但由于苏-27机头电子设备（主要是雷达）比预期要重，所以这个目标没有完全实现，最后苏-27的纵向稳定性接近中立稳定。由于传统机械式飞控系统无法操纵静不稳定飞机，所以苏-27采用了全新研制的线传飞控系统，不过仅用在受益最大的纵向操纵通道中。不管怎样，苏-27是苏联制造的第一种采用线传飞控的生产型飞机。
上述亮点并不是苏-27上唯一的创新，该机的发动机、火控系统和武器也都是全新研制的。
1975年，留里卡设计局（现在的土星科研生产联合体）开始研制AL-31F涡扇发动机。发动机的设计指标是加力推力122.58千牛（12.5吨），推重比8，巡航耗油率61克/牛顿/小时。
AL-31F涡扇发动机
最后AL-31F生产型虽然达到推力和重量指标，但巡航耗油率超出10%以上，达68克/牛顿/小时，最大军推耗油率79克/牛顿/小时，加力耗油率200克/牛顿/小时。由于发展新发动机总是要比研制新机需要更多时间，所以第一架T-10原型机安装的是AL-21F3发动机，也就是苏-17和苏-24的发动机。最后，AL-31F发动机装在T-10S上在1985年开始国家试飞。
坐落在茹科夫斯基的提赫米洛夫仪器制造研究院（Tikhomirov NIIP）派出经验丰富的科学家维克托·格里欣来主持苏-27雷达的研制，此前NIIP已经为米格-31研制并生产了苏联第一台战斗机相控阵雷达——“盾牌”（Zaslon），所以苏-27的新雷达在设计上也很有特色，在垂直面采用电子扫描，在水平面采用机械扫描。但是这种混合扫描的新雷达最后研制失败了，因为对于战斗机来说实在太重了。苏联空军在1982年放弃了相控阵天线要求，命令莫斯科的稳相加速器科学生产联合体（Phazotron-NIIR）以米格-29的N019雷达基础上为苏-27研制N001雷达。N001雷达基本上是N019的放大型，具有直径和发射功率都更大的卡塞格伦天线，这两种雷达的许多组件都能通用。
最终N001雷达性能仍然大幅落后F-15的APG-63，但重量达到550公斤，如果计入后端的散热和电源部分等全套系统，全重接近980公斤
