两架战斗机的火控系统也高度一致，这在航空史上还是第一次。这套火控系统有两个探测通道，一个是雷达系统通道一个是光电系统通道，同时还配有头盔瞄准具。针对苏-27设计的火控系统拥有更好的性能。N001雷达是由维克多·格里申率领的法佐特伦研究发展共同体研发的。莫斯科“地球物理”中央设计局则在主任设计师霍洛尔领导下研发了OLS-27光电系统，该系统由的一个红外接收跟踪定位器与一个激光测距仪组成。
OLS-27的传感器平台位于风挡前端
起落架采用了传统的前三点式设计，前起落架舱位于座舱下方。主起落架向前收进位于中央翼下方的主起落架舱，收起过程中，起落架旋转90度，主起落架舱舱门作为减速板使用。
苏-27的动力来自于两台强劲而经济的AL-31F涡轮风扇发动机，这型发动机单台最大推力为12500kg，起飞推重比超过1，由阿尔欣·米哈伊洛维奇·留里卡领导的土星机械厂（后来的土星-留里卡设计局）研制。较低的耗油率与占据了机体内部大部分空间的油箱所装载的8t燃油保证了战斗机能够实现预定的任务半径。
陈列在俄罗斯空军博物馆（莫尼诺）的T10-1
苏-27战斗机的概念与细节设计于1975-1976年完成，在需要的设计文件与图纸完成后，第一架原型机在库隆机械厂开始制造。不幸的是，帕维尔·苏霍伊没有来得及看到这架战斗机便在1975年与世长辞，叶甫根尼·伊万诺夫接替了他的工作。1976年，苏-27项目开始由主任设计师米哈伊尔·西蒙诺夫指导。1977年早些时候，第一架原型机T10-1制造完成。由于AL-31F涡扇发动机的拖延，这架原型机装备的是AL-21F-3AI涡喷发动机，这型发动机是AL-21F-3A涡喷发动机的修改版本，AL-21F-3A发动机在苏霍伊设计局其他的一些战机如苏-17、苏-24上均有应用。在完成的必须的地面检查与滑行测试之后，一切准备就绪。1977年5月20日，T10-1在苏霍伊设计局首席试飞员弗拉基米尔伊留申的操纵下成功首飞。第一架原型机主要用来评估关键飞行性能与稳定性和操纵性。
1978年，第二架原型机T10-2完成，但是这架原型机飞行时间并不长。1978年7月7日，这架原型机发生飞行事故，导致试飞员叶甫根尼·索洛维耶夫牺牲。飞机在超音速飞行时发生纵向振荡，产生了极大的过载，进而在空中解体，导致事故发生。黑匣子的数据显示，这架飞机进入了一个之前研究尚未发现的共振范围，导致飞机空中解体。这一切发生的太快，以至于富有经验的功勋试飞员，苏联英雄叶甫根尼·索洛维耶夫都没有机会弹射。事故后的分析查明了悲剧的原因，让研制人员对战机的设计做出必要的修正。1978年，苏-27战机的预生产准备工作在远东阿穆尔-共青城加加林机械制造厂完成。与此同时，库隆机械厂还组装了另外两架苏-27原型机。与头两架原型机不同，这两架原型机装备了AL-31F发动机。新的发动机相较于AL-21F-3AI重量减少了500kg，推力增大了12%，油耗也更低，尽管有外涵道，AL-31F发动机的直径与长度都要更小一些。1979年8月23日，弗拉基米尔伊留申驾驶T10-3完成了首飞，两个月后，T10-4也加入了飞行测试。一开始，两架飞机都用来进行发动机飞行测试，之后T10-3被重新改装，在尼特卡训练设施上进行测试，以支持在苏-27基础上发展的舰载型号，而T10-4则被用来进行火控系统的试飞。
T10的座舱
1980年初，已经有3架原型机（T10-1、T10-3、T10-4）参加苏-27的试飞计划，第一批预生产型飞机也即将投产，一切都按照预定计划进行，几年之后新战斗机就会服役。但是，来自西伯利亚航空研究院（SibNIA）的空气动力学专家以及主任设计师米哈伊尔·西蒙诺夫坚决反对按照现有的气动布局投入生产。SibNIA的专家在经过大量针对苏-27项目的空气动力学研究之后认为，这型战斗机在研发阶段便有几个错误。T10的机翼与边条布局会导致涡流过早分离；机翼周围的不稳定气流在迎角8-10度时便会出现，导致飞机升力下降、发生抖动、横向稳定性降低。T10的尾部结构设计没有能够提供有效的纵向、横向与航向控制面。西伯利亚航空研究院的专家们研究了T10在1975-1976年进行的风洞测试结果后指出，如果不处理好上述问题，开发出来的不会是一款高机动性战斗机。
位于乌克兰卢甘斯克一个博物馆里的T10-10
对苏-27项目进行彻底修改已迫在眉睫。米哈伊尔·西蒙诺夫是进行修改的坚定支持者，但是航空工业部的领导却有不同的意见。苏霍伊设计局的总设计师伊万诺夫对于冒风险彻底修改苏-27设计也并不热衷。因此，第一批苏-27按照最初的气动布局生产并测试。T10-1和T10-3的飞行测试结果证实了西伯利亚航空研究院（SibNIA）空气动力学专家的质疑。为了补偿在大迎角条件下由于垂直安定面效率下降导致的航向稳定性下降，第一批原型机根据茹科夫斯基中央空气流体力学研究院（TsAGI）的建议在机翼上表面安装了扰流条。但是这个扰流条降低了机体的升力，并削弱了边条带来的性能提升（这个导流条在其他机型上并不常见，与翼刀从用途上也并不相似）。
对T10的测试也显示这型战机的性能并没有达到预定目标。首先实际航程与设计航程的差距就超过了20%。苏霍伊设计局总设计师向航空工业部报告说造成T10性能达不到预期指标的主要原因有两个。第一，航电开发者没有能够实现设计指标中的重量要求，航电系统超重了几百千克，自然导致飞机总重增加，限制了飞机的机动性，降低了航程；第二，发动机的耗油率也同样没有达到设计指标的要求。但是当后来发现最初指定的发动机耗油率指标太高，不易达到，便进行了调整，第二个问题也就不存在了。尽管测试与研究显示T10的缺陷非常明显，叶甫根尼伊万诺夫依然希望通过细微的调整、增加燃油储存等措施来完善T10。然而，米哈伊尔·西蒙诺夫却一直努力推动飞机的全面重新设计，从1976年-1977年开始他的下属便和西伯利亚航空研究院（SibNIA）的科学家们一起设计研发一个新的气动布局并在风洞中对新布局进行测试，这个新的气动布局解决了之前布局中的大量缺陷。在西蒙诺夫（他于1979年调到航空工业部工作，并在1983年回到苏霍伊设计局任总设计师）的坚持与劝说下，航空工业部的领导层决定冒险对T10进行彻底的修改。后来证明这一决定非常正确，即使在过了30多年的今天，按照这一决定进行修改后的生产出来的战机依然被认为是世界上最好的战斗机之一。凭借着苏-27，苏霍伊设计局确立了其世界航空工业领先者的声誉，忠实地保持了从不交付一架平庸的飞机的传统。