苏-27的LyulkaAL-31F涡轮风扇发动机间距较大，提供比较好的安全性，以及进气道无间断的气流。同时在高迎角时帮助维持发动机气流。在进气道中有过滤网防止起飞时异物被吸入引擎。它的结构采用了约30%大量的钛，比例比任何当时的飞机都高。没有采用复合材料。后掠翼的前沿延伸融入机身，基本上形成三角形。翼尖裁剪以装置导弹或电子反制设备。 根据国防部的命令，苏霍伊设计局开始了T-10原型机方案的起草工作。首先要从大量的、不同的（不完整的）外形结构中选出一种理想的机体。在1970-1976 年间，苏霍伊设计局挑选了大量的模型，以试图找到起落架和进气道的最佳结构。最后采用了一种三轮车式的起落架结构，这种设计很稳固，起接架的各个系统全部由液压系统来控制。进气道和发动机舱的组合也很让人头疼，经过大量的试验和计算，还是采用了将二波系进气道分开布置在机身边条翼下的布局。另一个大麻烦是苏-27的重量限制问题，注意的焦点都集中在如何减少飞机的重量上。经过精心安排，实际起飞重量仅增加9千克。这种重量上的“斤斤计较”使飞机的飞行性能没有发生行什么明显的变化。
根据空军的要求，新型战斗机必须具备大航程，并且苏-27的航程必须比对手大10%。美国的F-15 在没有外挂油箱时航程为2300千米，苏-27至少要达到2500千米，这使苏-27至少要携带5.5 吨燃料。但根据苏联的有关强度标准的要求，任何飞机都必须携带达自身燃料重量的80%的备份燃料，这就使飞机重量又增加了3.5 吨之多。尽管燃油重量指标远远超过了设计要求，但这也带来一些问题：按设计要求苏-27的机身强度应能在80%载油量时可以承受8g的过载，而这个80%的载油量是针对5350千克而言的。如果在载油量为9000千克时达到这个要求的话，那么为加强强度，飞机的空重将会增长到一个可怕的数字。为此，设计师将设计指标改为标准油箱容量为5350千克，剩下的3650千克燃油空间则作为内部副油箱。这样，苏-27的最大油量航程由原来的2500千米增长为4000千米。
当时前苏联在先进材料技术（尤其是钛金属）方面和电传操纵系统方面（已在苏霍伊T-4上试验成功）具有一定优势，这对后来苏-27的发展起了很大作用。不过据传，老苏霍伊认为靠那时候苏联的科技水平尤其是航空电子方面，要造出比F-15好的飞机几乎是不可能的。但到后来前苏联科技人员忘我的工作热情与辉煌的成果使他对自己的项目充满了信心。只可惜他自己没能撑到苏-27上天的哪一刻，帕维尔·奥西波维奇·苏霍伊于1975年9月15日与世长辞。在这之后由米哈伊尔·西蒙诺夫担任主设计师之职。
苏-27 的动力系统计划采用2台大功率的新一代可加力涡扇发动机，但这种发动机的技术要求非常高：如果要让飞机在起飞和空中格斗中的推重比超过1，发动机在打开加力时推力达到12500千克，这比AL-21F-3 高出了12% ；但同时发动机的单位油耗必须低，否则就不能满足飞机的大航程要求，与当时大量生产的AL-21F-3 相比，新型发动机的油耗至少要降低25%。同时，苏霍伊设计局也没有足够的时间供发动机设计局“慢慢”研制。经过研究，设计人员们决定采用3 级低压、9 级高压和高、低压涡轮各1级的结构（“3 +9+1+1”方案），涡轮要进行抗热增强设计（与AL-21F-3相比，工作温度要高350-400度） ，最后决定采用单晶结构的转子叶片。但在1970 年初，苏联获得了F-15的F100-PW-100发动机的资料，根据这些资料，决定在AL-31F上采用4级风扇、12 级高压和高、低压涡轮各2级的基本结构。新结构的AL-31F发动机在1974 年8月完成了第一台，但在测试中发现它还存在结构缺陷。留里卡发动机设计局只能再次考虑原来的“3+9+1+1”方案，但4 级风扇已经设计完毕，于是也被加在了这个“3+9+1+1”方案上，这样，AL-31F发动机的压缩机机构部分就有些类似另一种著名的发动机——为米格-29研制的RD-33。从制造单晶涡轮转子的苏联航空材料制造厂传来了一个坏消息，该叶片在进行热实验时发现无法满足热强度要求，假如要冷却的话就只能从压缩机中引气。那样做既降低了发动机的推力，又增加了油耗。这样，AL-31F就赶不上T-10-1的试飞了。一直到T-10-3、T-10-4制造出来的时候，AL-31F才满足了性能要求，正式成为苏-27的动力系统．但就整个原型机来说，这只是确定了飞机的外形。
光有外形和发动机的飞机是不能作战的。为了让T-10-1具备作战能力，苏霍伊设计局开始为它挑选航空电子设备和武器。按照PFI项目中的规定，苏-27和米格-29的主要设备必须是一样的。但由于对苏-27的使用要求更为严格，空军对苏-27的航空电子和武器又提出了更高的要求：新型的多模式雷达必须具备很强的抗干扰能力和全周上视/下视追踪目标的能力；可以利用多种设备追踪目标；新的数字式数据处理器。装备新型的光电追踪红外瞄准具，并且在使用该设备瞄准时可以发射近距导弹和机炮；座舱内要装上平视显示器和单色阴极显示器。根据情报，苏联飞机在雷达、电子和计算机水平上要大大落后于国外对手，这就需要研制一种新型的火控系统。经过一番综合论证，决定为苏-27安装OEPS -27光电火控系统（另一种类似的OEPS-29也被装在了米格-29上）、RLPK-27雷达系统（包含N-001雷达）等一些先进的设备。到了1982年，这种火控系统正式装备在苏-27 上。
苏-27的固定武器选用和米格-29一样的30毫米AO-17双管机炮，导弹也采用同样的R-27 、R-73和R-60M ，两机的不同处在于挂载导弹的数量上。由于最初是把苏-27作为截击机来设计的，因此，它虽然有8 吨的载弹量，但只能挂载无制导炸弹和火箭弹。挂装的导弹也根据空军的要求进行了改变。到最后，苏-27可以使用R-13M1 、R-14 、R-60和R-73四种近距离空空导弹，以及R-27ET 和R-27ER型中程空空导弹。原来准备使用的AO-17机炮通过了地面测试，但随后被放弃，而采用了重新设计的30毫米TBK-687单管机炮。1977年完成了TBK-687的全尺寸模型，1983 年正式命名为Gsh-301，装备苏-27和米格-29 ，而AO-17 机炮在1982 年成为了米-24P 和苏-25的标准武器。AO-17 和Gsh-301 的炮弹可以通用。
到了1975年，苏-27的初期设计工作终于结束了，空气动力结构、机体设计已经完成，基本设计思路也已经找到，是制造原型机的时候了。在长长的挑鼻内是雷达舱。座舱及风挡内可以看到360度全向视野，另外还有一个后设备舱。前起落架被安装在座舱下、红外传感瞄准系统安装在座舱正前方的机身下沿中轴线上。两台发动机被安装在机身下沿中轴线对称布置的发动机舱内，发动机舱之间的空间可以用来挂载空对空导弹。为了能让发动机在各种速度和高度上都能在最好的状态下工作，进气道被装在机翼边条翼下，并安有进气导流板，以控制在各种角度上 的进气量。飞机总共有8个武器挂架：机身下发动机舱之间有2个、进气道下各有1个，每边主翼下各有2个，除了主翼下最外侧的挂架只能携带100千克级的近距格斗导弹外，其他挂架都可以挂载250-300 千克级的远程空空导弹。
尽管制造中的原型机比设计指标中的更大，更重，飞机的基本性能却没有大的改变，如正常起飞时翼载为375千克/平方米，起飞推重比1.15也与设计一致。飞机的空重为14 300千克，在挂载武器并装上正常的燃料（5 300千克）时起飞重量为22100千克，满载燃料时的最大起飞重量为25700千克。机长19.65 米，翼展14.7 米，机翼面积59.4 平方米，在地面上的飞机高度5.87 米。 由于AL-31F发动机尚未完成，T-10-1只能使用AL-21F-3涡喷发动机，这种发动机比AL-31F更加笨重、功率更小、效率更低。但这并不影响T-10-1在1977年进行首飞，1978-1979年，AL-31F投入大批量生产后，T-10才使用了新的发动机。试飞工作在试飞组严格监督下开始了。在通过了地面测试和高速滑行测试之后，试飞组给予了试飞许可。
1977年5月20日，在苏霍伊设计局首席试飞员、苏联英雄瓦拉米尔·伊留申的驾驶下，T-10-1（机头号10 ）首次冲入了蓝天。随后，试验了新型战斗机的操控系统。当时，T-10-1还没有安装火控系统。在以后的8个月中，T-10-1进行了38 次飞行（到了1985年，T-10-1圆满地完成了它所有的飞行任务，被送到莫斯科附近的莫尼诺空军博物馆保存）。1978年，苏霍伊设计局制造了另一架原型机T-10-2 ，它的飞行测试由耶夫格尼·索诺约夫进行。1978年7月7日，索诺约夫驾驶它进行中、高空飞行项目的测试，当他在11000米和5000 米飞行时，一切都很正常，但当他下降到1 000米高度准备测试一下1000千米/小时速度下的性能时，飞机的过载一下子高得超出了他的预料。飞行员立即向前推杆试图保持飞机的平衡，这使飞机的过载立即变为-8G。这些无意义的努力没能挽救他，飞机的动能损失之快超出了飞行员的想象，飞机坠毁在地面上．这次事故促使苏霍伊设计局为苏-27加装了电传操纵系统。
苏霍伊设计局又开始制造第二批的两架T-10-3和T-10-4。与此同时，留里卡发动机设计局也加紧为T-10-3、T-10-4 制造AL-31F 发动机，不过，发动机还不是正式的生产型，而是AL-31FN。等到T-10-3、T-10-4制造出来，AL-31FN 也完成了，并被迅速地安装在T-10-3、T-10-4 上。1979年3月，T-10-3 的组装完成，试飞员还是瓦拉米尔·伊留申。但完成了地面测试之后，试飞组和试飞员都不批准它上天，因为运来的AL-31FN存在缺陷。最后，大家的结论是必须将发动机送回去改进。留里卡设计局立即展开改进工作，改进了这些缺陷。1979年8月23 日，伊留申完成了T-10-3 的首次飞行。1个月后，装有雷达的T-10-4 也被运到机场，用于雷达系统的测试。
至此，已经有4架原型机参加试飞计划，第一批预生产型也即将投产，似乎一切都按计划进行着。在1979年11月发生叙利亚6架米格-23与2架以色列的F-15A对抗事件，结果是米格机大败。空战过程分析出来后让苏联大为吃惊，F-15的空战性能远超过原来估计。
另外，通过由波兰间谍马里安·佐查斯基搞来的F-15性能资料对比，设计师发现T-10还不能与它的竞争对手相比，很多地方仍处下风。这无疑对花了10年时间费尽心思的苏联人来说是个沉痛打击。究竟是把中等水平的飞机推向生产线，还是继续改进呢？担任项目总设计师的西蒙诺夫坚决反对将现有布局的飞机批生产，他认为现有方案存在着不可原谅的缺陷。由于发动机和机载航电设备需要进一步改进，而改进后的设备重量将增加几百千克，使总重量超重。计算和模拟空战也表明，现行状态下的飞机与美国同类飞机相比没有优势。可是改变这些缺陷谈何容易，几乎等于重新设计一种飞机。尽管遭到大多数人的反对，但西蒙诺夫显示出非凡的勇气，他说：“如果没有战争，谁也不知道它的平庸，但我们的武器应该拥有最高的水平”。西蒙诺夫冒险采取措施，对飞机结构进行了大改，但不久他却被调离原来岗位。
西蒙诺夫顶住来自工厂、研究所内部外部、政府领导层的压力，为了设计出最完美的飞机下令从头来过，几乎重新设计苏-27。实践证明他是正确的。按新要求制造的T-10S，与T-10有较大差别。
按新要求制造的T-10-7和T-10-12被命名为T-10S-1和T-10S-2。T-10S与T-10相比改进很多，主要是飞机气动布局做了重新设计：加大机翼面积、减小后掠角、除去翼刀、将弧性的翼梢改为方形并加导弹发射轨、后缘襟翼和副翼改为单一的襟副翼并增加了计算机控制的前缘襟翼、减速板从机身下方改为与F-15一样的机背减速板；进气道改进：为了避免引擎吸入跑道上的杂物，前起落架向后移到两个进气道之间，进气道内也加装防杂物吸入的网状隔板；发动机舱重新设计：机匣由发动机底部移到了上部，这样双垂尾也得挪个地方而放置到两个发动机外侧，而尾喷口也变为可调式；以上几处改进使得飞机的横截面面积大幅减小，综合提高了苏-27的机动性、速度、航程。其他诸如机头、机尾、座舱、起落架等许多地方也作了明显的改进。
改进工作与原型机试飞工作是同时进行的。当T-10-1试飞成功时，全新改型机也开始组装。1981年进行了飞行试验，由于改动太大，原来准备批量生产的设备均无法用于改型飞机，一直等到1982年初，在共青城才结束了结构加强型的苏-27批量装配准备工作。而米格-29已经于1983年开始交付部队使用。各种压力下，苏-27面临可能流产境地。
总设计师仔细研究米格-29与F-15后得出结论，米格-29并没有全面超过F-15。所以认为苏-27还是有希望的。军方内的狂热支持者也对苏-27继续投产起了帮助。他们的目标非常简单明确：苏联必须拥有超过F-15的第一流战斗机。
第一架T-10S-1于1980年出厂，1981年4月20日首飞，试飞员还是伊留申。然而此时的T-10S显然不够可靠：1981年9月3日因燃油系统故障T-10S-1（T-10-7）坠毁，伊留申死里逃生；随后生产的T-10S-2（T-10-12）更好不到哪里去，1981年12月23日由于前缘襟翼故障坠毁，试飞员亚力山大·科马诺夫不幸牺牲。
1982年，测试基地又增加了几名新成员：T-10-14/15/16/17 ，其中T-10-14 被用于地面静力测试。
1982年6月2日，试飞员伊沙科夫驾驶着苏-27 的正式生产型T-10-17完成了试飞。接着，共青城飞机制造厂又造出了9架：T-10-18~T-10-27。这些飞机加入试飞后，让设计局进一步掌握了飞机的特性。针对飞行测试中出现的各种事故，苏霍伊设计局不断地改进和完善飞机。终于在1985年，第一批苏-27战斗机开始在苏联空军中服役。年底，大批苏-27交付给空军和防空军。之后，又根据作战需要，为苏27加装了通讯、协同作战控制系统。当整个系统调试完毕后，1990年8月23 日，苏联国防部长批准将苏-27作为苏联空军和国土防空军的标准战斗机，至此，经过近20年的研制和发展，苏-27终于成为了苏联空军战斗机群的主力。 GSh-30-1 型 30 毫米机炮
GSh-30-1 型 30 毫米机炮是苏-27 系列的唯一固定武器，它是一种超轻量型单管转膛式机炮，根据俄罗斯所公布的资料，其全备重量只有 43.5 公斤，为现有同口径机炮中重量最轻的系统。该机炮使用激光测距瞄准系统，据说精确度极佳，但大量采用轻量材料的结果使其使用寿命减低，未经证实的资料指出标准寿命大约 2,000 发左右，火炮的最高射速 1,600发/分。在 苏-27 系列的各型战机中，该机炮的弹舱内装有 150 发备用炮弹。 R-60（AA-8）
R-60 是锦旗设计局于 1960 年代末期至 1970 年代初期发展的红外线制导短距空对空导弹，系 K-13(AA-2) 系列导弹的后继型，就发展历史上属于第三代苏制空对空导弹。R-60 的重量和尺寸都只有 K-13 的 70%，为一种袖珍型格斗导弹，因此可由 APU-6011M 型双重挂架挂载。
R-27（AA-10）
R-27 是锦旗设计局于 1970 年代中期主导发展的中远距空对空导弹，用来取代老旧的 K-13 和 R-23 系列导弹，以配备在 MiG-29、SU-27 等战斗机上。与先前的苏制导弹相同，R-27 有雷达制导型和红外线制导型两大系统，自 1982 年服役以来至少已推出 7 种型号，分别是： R-27T ：中距惯性指挥修正暨红外线制导型，最大射程约 40 公里。 R-27PS ：供 MiG-27D/K 攻击机使用的特种短距红外线制导型，最大射程不详。 R-27R：中距惯性指挥修正暨半主动雷达制导型，最大射程约 50 公里。 R-27ET： R-27T 的增程型， 最大射程增为 70 公里。 R-27ER： R-27R 的增程型， 最大射程增为 75 公里。 R-27AE：远距惯性指挥修正暨主动雷达制导型，最大射程约 80 公里，具有较佳的低空目标攻击能力和抗电子干扰能力。
R-27EM：远距惯性指挥修正暨半主动雷达制导型，最大射程约 110 公里，提高对低空目标的攻击能力。
R-73（AA-11)
R-73 是锦旗设计局在 1970 年代末期发展的第四代苏制格斗导弹，由于与 R-60 系出同门，因此两型导弹具有若干相同的特徵。除了取代 R-13M 导弹外，R-73 还可填补R-60与R-27系列导弹的性能间隙，因此在苏-27、米格-29等新型俄制战机上，经常发现 R-60、R-27、R-73 导弹混合挂载。 Kh-23
Kh-23 是星辰设计局（ZvezdaOKB）在 1965 年所研制的短距遥控制导空对地导弹，属于较早期的俄制战术空对地武器。Kh-23 的气动布局和若干部件与 K-5 空对空导弹相同，所使用的火箭发动机更是为 K-8V 空对空导弹所研制，于 1968 年服役的 Kh-66 是此系列的第一种服役型，自 1973 年起陆续推出 Kh-23、Kh-23M 和 Kh-24 反辐射型，但对于 SU-27 来说它们已经算是较老旧的武器。
Kh-25MR/ML（AS-10）
Kh-25 是星辰设计局在 1960 年代末期/ 1970 年代初期研制的武器，于 1974 年开始服役，可视为第二代俄制战术空对地导弹。Kh-25 的外形与 Kh-23 非常相似，因此被外界视之为后者的改进型，族系中有 Kh-25MR 无线电遥控型和 Kh-25ML 激光制导型两种，另外还衍生出 Kh-25MP 反辐射型，但西方将它另外归类于 AS.12 系列。
Kh-25MP、27PS（AS-12）
这两型导弹是星辰设计局由现有的系统改进发展而成，主要是作为 Kh-28 导弹的后继系统，由于它的重量较轻，使得搭载母机能从低空发射，搭载母机因而可获得较佳的作战存活性。Kh-25MP 属于俄制第一代战术反辐射导弹，其技术层次约略与美制百舌鸟（Shrike）导弹类似，性能已不符现代作战的需求。
Kh-28（AS-9）
Kh-28 是彩虹设计局（RadugaOKB）在 60 年代末期所发展的中程反辐射导弹，于 1971 年开始服役，当时主要是配备在 雅克-28 远距拦截机上。Kh-28 的尺寸巨大，功能与体积更大的 AS-4 和 AS-6 反辐射导弹相同，在远距离攻击陆基与舰载雷达，它甚至可利用空对地导弹的射控雷达锁定目标。
Kh-29（AS-14）
Kh-29 是锦旗设计局在 1970 年代发展的激光与电视制导空对地导弹，大约于 1980 年代开始服役，属于第三代俄制战术导弹，是一种与美制小牛导弹同级的武器系统。Kh-29 至少有 3 型问世，分别是电视制导的 Kh-29T、半主动激光制导的 Kh-29L、红外线制导的 Kh-29D、反辐射型的 Kh-29MP，可配备在多型俄制战机甚至是伊拉克空军的法 制幻影F1 战斗机上。
Kh-31（AS-17）
Kh-31 系列是 1990年 代问世的最新火箭/冲压发动机战术导弹，于 1991 年的迪拜航空展首度出现。确定有 Kh-31A 反舰型和 Kh-31P 反辐射型两种问世，另外还有 Kh-31U 增程型和 Kh-31H 改进型两种反辐射导弹在发展，为了对付空中早期预警机还研发新的空对空衍生型，由于该系列导弹的最高速度高达 3 马赫以上，因此颇受西方国家关注。
Kh-35（3K-60）
Kh-35 是 1992 年莫斯科航空展首度出现的新型空射反舰导弹，它是一系列反舰导弹的一型，同系列导弹共有舰载型、岸防型和空射型 3 种，其中舰射型被北约称为 X-N-25。 Kh-35 的外型与美制 AGM84 鱼叉（Harpoon）反舰导弹相似，由星辰设计局负责导弹研制，其研发工作早在 1980 年代初期便展开。
Kh-41（3M80）
Kh-41 是着名的SS-N-22超音速反舰导弹的空射衍生型，为彩虹设计局在 1980 年代初期研发的系统，在1992 年的莫斯科航空展首度出现，由于速度快、弹头威力强，是西方恐惧的空射反舰导弹。
其他：反舰导弹Kh-58/59、反潜导弹、制导炸弹等。
