El OKB Sujoi destacó a su diseñador Yevgeny Ivanov y a su delegado Oleg Samolovich para desarrollar el avión TPFI solicitado. También participó en el desarrollo el mismo Director del Buró, el General Diseñador Pável Sujói. Bosquejaron un avión con configuración de doble deriva y ala delta alta con cola, al cual llamaron T-10 por ser el décimo prototipo diseñado por Sujoi en portar un ala delta (Teugoinyo, o "Triangular").

Todos los aviones iniciales fueron manufacturados en el Complejo de Producción de Aviones Yuri Gagarin, que Sujoi tiene instalado en Konsomolsh-on-Amur, en el Territorio Khabarovsk (Rusia del Extremo Oriente). Este centro se conoce hoy como el Complejo de Producción de Aviones Konsomolsk-on-Amur (KnAPO).

El T-10 era un avión de tamaño considerable, con gran volumen para transportar combustible y sistemas internos. Se trataba de un aparato bimotor, provisto inicialmente con motores turbofan Arkhip-Lyulka AL-21F-3 de 11.200 kilogramos de empuje unitario, con sus entradas de aire bajo las raíces alares. Su primer vuelo lo realizó recién el 20 de mayo de 1977 el piloto General Vladimir Ilyushin. Si bien su piloto lo encontró satisfactorio, el T-10-1 con sus derivas poco espaciadas sufrió de muchos problemas de estabilidad direccional a grandes velocidades, lo cual le ocasionó un accidente fatal al piloto de pruebas Soloviev. En tanto, estudios comparativos demostraron que el avión seguía siendo inferior al F-15 norteamericano.

Ante la impaciencia de las autoridades soviéticas, se emprendieron mejoras radicales bajo la dirección del nuevo diseñador Mikhail Simonov, reemplazándose los motores originales por unos mejorados, del modelo AL-31F. Estos aviones de preserie pasaron a denominarse T-10S. Comenzaron a volar a principios de década de 1980 logrando una enorme aceptación por parte de sus pilotos, aunque sufriendo otros tres accidentes, uno de ellos fatal. Ante estas problemáticas, y para conseguir aire político, el tercero de los prototipos T-10S, renombrado P-42, fue especialmente preparado para batir una serie de récords en posesión de los igualmente modificados F-15 "Strike Eagles" norteamericanos. Al ser descubiertos por la OTAN, toda la línea de prototipos recibió el nombre código de Flanker-A.

A partir de 1982 se mejoraron muchos aspectos de vuelo del aparato, y se instalaron los sistemas de control de fuego y fly-by-wire (control de vuelo computado de cuatro canales) de la serie SDU-27. Además se lo proveyó de un cañón fijo automático Gryazev-Shipunov GSh-30-1 de 30 milímetros en la raíz de la semiala derecha munido de 149 proyectiles de alto explosivo e incendiarios. Esta versión inicial de combate fue introducida por los rusos en diciembre de 1984, denominándola Su-27P ("Interceptor"). Fueron destinadas a los Escuadrones de la PVO.

Durante 1987 algunos Su-27P realizaron maniobras en el Mar Báltico, donde fueron avistados por aviones noruegos de reconocimiento marítimo; sin embargo hicieron su presentación formal en Occidente recién de 1989, en el Show Aéreo de París. Fue allí donde el piloto Viktor Pugachev realizó la maniobra Cobra por primera vez ante la prensa occidental.

Al poco tiempo del despliegue operativo de los Su-27P en 1986, decidió mejorarse su aviónica, sistemas internos y electrónica de combate definitiva, por lo que se convirtió en un aparato multirrol. Esta versión mejorada fue denominada Su-27S y capaz de realizar misiones de ataque al suelo con hasta 8.000 kilogramos de armamento convencional. Fue desplegada poco tiempo después.

Considerado el avión mas maniobrable del mundo, es el primero en lograr hacer con éxito "la maniobra de la Cobra"; La Cobra de Pugachev es una maniobra de aviones caza, nombrada así por el piloto de pruebas de la agencia de diseño OKB Sujói llamado Victor Pugachev, que la pudo realizar por primera vez en el verano del 1989, piloteando un avión de pruebas Sujói Su-27.

La maniobra consiste en que el piloto desconecta el control del estabilizador limitador Alfa y luego tira de la palanca de control bruscamente, hasta alcanzar 90 y 120 grados de ángulo de inclinación de ataque, para luego continuar volando en forma horizontal, las tomas de aire de las toberas del motor, todavía tienen que manejar el ingreso de aire a los motores, algo que el diseño de los aviones Sujói pueden lograr con éxito.

Según su doctrina de venta de armamento, Rusia ha desarrollado también una versión de exportación del Su-27S, con aviónica de capacidades reducidas, a la que ha denominado Su-27SK, y que ha logrado vender a varios países (ver apartado). También se construye en China una versión del Su-27SK bajo licencia, con la designación oficial de Shenyang J-11, para uso exclusivo de la Fuerza Aérea del Ejército de Liberación Popular Chino.

Se han construido 680, y el precio promedio (1996) es de U$D 35.000.000. La denominación en código que identifica estas 3 versiones iniciales en la OTAN es de Flanker-B.

Si bien el historial de combate del los Su-27 no es extenso, durante la Segunda Guerra Eritreo-Etíope (1998-2000) la Fuerza Aérea Etíope empleó activamente sus Su-27S en Patrullas Aéreas de Combate y escolta a cazabombarderos MiG-21 y MiG-23. También en ataques con cohetes no-guiados y bombas convencionales. Estas misiones estaban realizadas por pilotos etíopes y algunos mercenarios de origen ruso y de Ucrania. En el curso de estos combates fueron derribados unos cuatro MiG-29 de la Fuerza Aérea Eritrea, quedando una de estas alegaciones acreditada a la piloto etíope Aster Tolossa, convirtiéndola en la primera mujer en lograr un derribo aéreo en la era del reactor.

Los Flanker-B están construidos principalmente de una ligera aleación de aluminio, con diferentes cantidades de acero, litio y titanio. Los controles de vuelo operan hidráulicamente, con algunos sistemas neumáticos de respaldo. La rueda frontal se retrae hacia adelante, así lo hace el tren de aterrizaje principal, que rota 90 grados para descansar recto en las raíces alares. El piloto se sienta alto y con buena visibilidad en un eficaz asiento eyectable tipo Zvezda K-36DM cero-cero. Su panel de instrumentos es esencialmente analógico y cuenta con sólo una pantalla multifunción, lo que incrementa la carga de trabajo del piloto durante las tareas de combate.

Los motores son dos Saturn-Lyulka AL-31F de 12.515 kilogramos de empuje unitario, que son eficientes y de bajo consumo para la potencia erogada comparado con otros motores de su clase (0,67 kilogramos por hora por kilogramo de empuje horario en crucero). También es un diseño muy confiable para los estándares motrices soviéticos, con un tiempo medio entre mantenimiento (MTBO) de 1.000 horas, con una vida total de 3.000 horas, y diagnóstico computados de los mismos.

Inicialmente fueron armados con los excelentes misiles aire-aire Vympel R-73 (AA-11 "Archer" para la OTAN) para el combate cercano de maniobras, y misiles Vympel R-27R o R-27T (AA-10 "Álamo" por la OTAN) para combate a grandes distancias.

Los modelos Su-27P iniciales cuentan con un sistema de avistamiento por radiolocalización ("rahdiolokatseeonnaya preetsel'naya sistema" en la nomenclatura rusa) Tipo RLPK-27, que comprende un radar de control de fuego de pulso doppler coherente Phazotron (NIIR) N-001 Mech ("Espada", nombre código de la OTAN "Slot Back"), con un alcance de 185 kilómetros promedio. También disponen de un sistema de avistamiento optoelectrónico ("optikoelektronnaya preetsel'naya sistema" en nomenclatura rusa) Tipo OEPS-27, de funcionamiento "silencioso" o pasivo (sin emisión electromagnética). Este comprende una cámara infrarroja giroestabilizada Geofizika-NPO 36-Sh (50 kilómetros de alcance y menor ángulo de cobertura), telémetro láser y una mira electrónica montada en el casco, que permite al piloto apuntar sus armas empleando la vista. Los Su-27P cuentan con un aparato pasivo (sin emisión) Tipo L-006 Beryoza para tareas de contramedidas y engaño electrónico. Está localizado en el extensión radomo de cola entre ambos motores.

Los Su-27S tienen mejor rendimiento en función de combate aéreo y ataque, con aviónica mejorada y barquillas emisoras activas para contramedidas electrónicas tipo Sorbtsiya-S en los soportes de las puntas de las alas. Pueden emplear bombas convencionales y portacohetes de distintos calibres. En los S-27S también se ha implementado un nuevo radar mejorado Phazotron-NIIR Tipo N-001, con prestaciones aún mayores para el ataque, mayor resistencia a las contramedidas electrónicas, y capacidad de "enlace de datos" digital y cifrado (Data-link). Esto le permite poder portar también los avanzados misiles "Aire-aire" de alcance medio Vympel R-77 (AA-12 "Adder" para la OTAN).

Algunos de éstos aviones poseen tres puntos de fijación de armamento subalares, junto con los soportes marginales y los dos soportes adicionales en tándem bajo el fuselaje, para totalizar unos 12 puntos de carga (subvariante conocida brevemente como Su-27SMK).

En los Su-27S de última producción, se reemplazó al alerta radar Tipo L-006 por otro aparato pasivo mejorado, Tipo SPO-15 Beryoza. También se le agregaron 32 dispersores de bengalas y metralla para oficiar como señuelos contra misiles de guía calórica y radárica.

Los Su-27SK de exportación disponen del radar Phazotron (NIIR) N-001E, con los modos de radar específicos utilizados por la Fuerza Aérea Soviética, eliminados por seguridad.