R-33 超远程空空导弹，西方说这是 AIM-54 的翻版
第一批苏-27 出厂后不久，当时的航空工业部部长伊万·西拉耶夫和航空工业部副部长兼苏霍伊设计局总设计师米哈伊尔·彼得洛维奇·西蒙诺夫以及苏-27 项目总设计师科尔钦和柯内舍夫被国土防空军航空兵司令 N·I·莫斯科维杰列夫上将和空军副总司令叶夫列莫夫上将召到萨瓦斯列依卡的空军飞行员战斗使用和改装训练中心。他们在总结了 70 年代以来苏制战斗机与西方战斗机进行的历次空战经验教训后得出了一致结论，目前的重型远程截击机已经不能应付现在和未来的美国战斗机所带来的威胁，必须为国上防空军研制一种更加灵活机动的远程截击战斗机！
1986 年 4 月，设计师叶梅利亚诺夫和武器系统设计师维克多·加卢什科接到一项研制任务，在现有的苏-27 的基础上研制一种全新的远程截击战斗机。对于新型截击机的要求是接近米格-31 的航程和不低于现有苏-27 的机动敏捷性。之前维克多·加卢什科正在积极准备苏-27M 也就是后来的苏-35/37 的研制，这一型号的飞机是具备对空中和地面目标的精确探测和打击能力的，而且一开始就计划用相控阵雷达装备这一型号。新的截击机也被要求安装新型雷达，但不要求多功能。设计小组被告之重点是增加飞机的留空时间以及飞机对空中目标的侦测和截获能力。
设计小组将在一架单座的苏-27 和一架双座的苏-27UB 教练战斗机上进行改进工作，包括为这两架飞机改装空中受油探头在内的所有工作被要求在很短的时间内完成。莫斯科试验牛产厂负责飞机的改装任务，后来这一任务被转移到远东地区。
安装空中受油探头的 Su-27PD 表演机，由 Su-27P 改装而来。2000 年珠海航展时停留天津时所摄，当时属于格罗莫夫试飞院
经过改进后的单座机被称为苏-27P，双座的苏-27UB 被改造成为苏-27PU（工程编号 T10PU）。从外表上来看飞机的改动不是很大，这是因为在设计中并没有采用简单的固定式受油探管，而是一种装置在风档下面左侧的位置可以完全收起的探管。当受油管收起时部分可以被整流舱盖遮住，完全与机身的表面齐平。这一设备是由 K-36 弹射座椅的研制单位，位于莫斯科地区托米里诺镇的“红星”科研生产企业研制生产的，总设计师是谢维林。
用于改装的 T10U-2“蓝色 02”，是 Su-27UB 的第二架原型机，在这架飞机上验证了空中加油系统和电传操纵系统
飞机如需空中受油，必须放出伸缩式受油管，将其与加油机的标准加油吊舱锥套准确对接，锥套牢牢地抓住受油管之后开始进行空中压力加油。空中加油可以由装备有标准加油吊舱的同型号飞机进行，也可由悬挂有同一吊舱的苏-24M 飞机进行，还可以由伊尔-78 空中加油机进行。空中加油设备使一些系统和设备不得不重新布置，最显著的是光电红外搜索跟踪装置被从中线移到风挡的右侧。
T10U-2 对 Su-27K 进行伙伴加油
为适应长航程的飞行，飞机的座舱也进行了重新设计。为飞越前苏联辽阔的边疆和最无显著地标的地区，飞机必然需要有新的导航系统。梅利亚诺夫领导的设计小组按照苏联民航的国际班机使用的全球定位系统、罗兰导航系统、奥米伽导航系统和飞行姿态主参考系统设计了新的导航装置，并成功加以小型化使之能够用于战斗机。为了使飞行员能够掌握并操作这一系统，先后进行了三次简化工作。
从外形上来说的另一个较大的变化是尾锥的末端位置被设计得更高，以减少大迎角着陆时擦尾的危险。截面不变的圆桶形尾锥改用更流线型的整流罩，前面变得更粗而且加长了弧形的部分，在尾锥内装置有重新设计的油箱。
1987 年 6 月 6 日，试飞员萨多夫尼科夫和沃金采夫驾驶着 T10U-2 在国土防空军部队苏-27 的护航下完成了到俄罗斯最北面的机场弗兰查·伊奥西法群岛上的格列姆·别尔机场的转场飞行。这也是世界上最北部的供喷气式飞机起降的机场。之后又于 6 月 16 日完成了从莫斯科到阿穆尔河畔共青城的 飞行，6 月 19 日返回。6月 23 日，试飞小组完成了“莫斯科-共青城-莫斯科”航线不着陆转场飞行，总航程 13,440 千米。在此次历时 15 小时 42 分钟的往返持久飞行中，共进行了 4 次空中受油（地点是新西伯利亚空域和赤塔空域），一架苏-24M 和一架 伊尔-78 加油机先后提供了空中加油服务。
T10U-2 侧面图，注意机鼻左侧的空中受油管口盖
改进后的飞机被证明是可以用于执行长时间空中巡逻任务的，受油装置没有增加飞机的阻力和影响机载雷达的工作。但单座型苏-27P 被认为不适合执行这一任务。这并非是飞机的问题，而是试飞员在如此长时间的飞行中感到疲惫不堪，无法保持正常状态。加之现代空战带给飞行员的工作量很大，大航程产生的长时间留空飞行加上高机动产生的高过载，使飞行员在单独应付复杂的作战情况、机载电子综合设备和机载武器时手忙脚乱。
只有两名飞行员才能胜任一次长达 10 个小时的巡航飞行，这期间当一名飞行员进行休息时将由另一名飞行员负责驾驶飞机和操作雷达及火控系统。这也排除了在苏-27PU 上设置一名飞行员和一名武器操纵员的方案。设计小组决定直接在教练型座舱的某础上进行修改，新型飞机的前后座舱配置将是一样的，在长续航时间的飞行中两名飞行员在任务的任何阶段都能控制、操纵飞机或操纵雷达和武器系统。从两个座舱都能进行启动发动机、选择武器系统、输入和校正航行数据的工作并决定是否弹射跳伞。
早期型 Su-30 前后座舱，距离当时西方的标准相距甚远
当设计小组热火朝天地投入到新型远程截击机的研制任务中时，新的问题出现了。国家和军方的一些领导更加青睐米格-31 而不是苏-27PU 这样更为灵活的飞机。米格-31 相对苏-27PU 显得笨重但航程更远，不过其机动和敏捷性完全无法与后者相比。有一种理论认为在导弹时代刻意追求飞机的机动敏捷性是没有意义的，米格-31 出色的高空高速能力能够弥补其他方面的不足，特别是该机装备的威力强大的超远程空空导弹使它根本没有必要进行近距离空战。米格-31 利用其雷达和信息网络指挥其他 4 架战斗机进而形成能够战斗的“防空指挥中心”的特性使某些领导人对该机始终情有独钟！