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开始服役
1984年苏-27开始交付作战部队。还在研制阶段的时候，就决定这架战机会服役于两个类型的作战航空兵部队——空军和国土防空军。也就是说，空军战术航空兵和国土防空军战斗机部队将会使用完全相同的飞机。值得一提的是，苏联在苏-27之前的战机大多数只有一个主人，比如说米格-21只在空军服役，而苏-9、苏-11、苏-15、Tu-128与米格-25P只在防空军服役。米格-23是唯一一款同时在空军和国土防空军服役的战斗机。但是，国土防空军所装备的米格-23P是特殊版本，在火控系统和武器配置上和空军的米格-23M有着很大的不同。这种情况持续到1980年代，当时米格-29战术战斗机开始进入空军服役，而国土防空军则装备了米格-31截击机。因此，苏-27成为第一款能够同时胜任空军的战术战斗机任务以及防空军的截击机任务的战机。能够胜任的原因是苏-27拥有良好的飞行性能、强大的火控系统以及先进的武器。在空军服役的苏-27被称为苏-27S，在国土防空军服役的被称为苏-27P，很多资料认为苏-27S与苏-27P完全一样，只不过分别被国防部不同委员会采购。但还有一些资料显示，装备不同军种的苏-27还是有区别的，主要集中在航电系统上，国土防空军的苏-27P针对国土防空军的空气-IA自动截击系统装有配套的机载设备。但是1998年两个军种合并后，苏-27P和苏-27S是否经过统一化的改装不得而知。
苏-27S在基尔普-雅芙尔空军基地（科拉半岛）
按照计划，国土防空军在远东的战斗机部队将是第一批改装苏-27的部队，因为苏-27战斗机的生产线就在这里，这样就能及时发现并解决新战机刚刚服役时不可避免会出现的各种问题。但是依照传统，空军和国土防空军的飞行人员战斗使用和改装训练中心（CEPRC）也会最先装备新型战斗机，为飞机的操作与战斗部署编写教材，并对改装新机的飞行员进行培训。因此苏-27在进入作战航空兵团服役前先来到利佩茨克基地的空军飞行人员战斗使用和改装训练中心和萨瓦斯列依卡基地的国土防空军飞行人员战斗使用和改装训练中心。到1990年，这些中心各拥有15到16架飞机。还有一支部队也先于作战部队装备苏-27，即位于克里斯诺达尔基地的红旗高级联合飞行技术学校。
根据欧洲常规武装力量条约框架下的数据交换协议提供的数据，在1990年年末，苏联在它的欧洲部分部署了367架苏-27，其中空军138架，国土防空军229架。在波兰部署有两个空军苏-27团，分别位于克柳切夫基地和霍伊娜基地；在乌克兰部署有一个空军苏-27团，位于米格尔罗德基地。在库宾卡空军基地的合成航空兵团也有一个大队装备苏-27。1991年，以这个大队为基础组建了俄罗斯勇士飞行表演队，而库宾卡的这个合成航空兵团后来改组成了以空军元帅阔日杜布命名的飞机展示中心。国土防空军的列宁格勒独立集团军，阿尔汉格尔斯克独立集团军和第比利斯独立集团军各拥有两个苏-27航空兵团（分别部署在瓦伊涅杰、尼温斯科耶、基尔普-雅芙尔、罗加乔沃、克雷姆斯克和古达乌塔这六个空军基地）。根据国外相关资料估计，上世纪90年代初期俄军装备有差不多600架苏-27S（这个数字中除了部署在苏联的欧洲地区的苏-27的单座型，也包括苏-27UB双座战斗教练机以及部署在乌拉尔以东地区的的苏-27）。
苏-27P双机
苏联解体伴随着华沙条约解除，导致空军以及国土防空军的一些部队重新部署或者解散，这其中也包括一些装备苏-27的部队。除此以外，还有大约100架飞机被遗留在原先的苏联加盟共和国乌克兰和白俄罗斯。在1992年的夏天，原先的苏联空军部队离开了波兰。根据国外相关资料分析，在1996年年初，俄罗斯空军部队装备有130架苏-27S，大约还有300架在国土防空军。除此之外还有24架苏-27K舰载机部署在海军的北方舰队，还有一部分岸基航空兵部队装备苏-27S。