23 июня на 20 полете начались тренировки перед традиционным парадом в Тушино. Демонстрация машины с двумя макетами ракет К-80 во время авиационного праздника прошла успешно. Это был 31-й полет опытного перехватчика. В советских газетах самолет назвали "сверхзвуковым и многоцелевым". Западные комментаторы и специалисты дружно приняли обтекатель КЗА за многофункциональную РЛС. Однако внешний вид подвешенных снарядов не позволял сомневаться в их предназначении, и в НАТО машина получила "истребительное" обозначение "Fiddler" ("Скрипач").
После окончания заводских опытный экземпляр участвовал в государственных испытаниях. С него сняли обтекатель КЗА и подфюзеляжные гребни, установили внешние подкрыльевые пилоны. В 1967 г. опытный перехватчик испытывали на грунтовой полосе ЛИИ. Кроме того, на самолете исследовался режим посадки с невыпущенными закрылками, а также испытывались высотное оборудование и спасательный костюм-скафандр ВМСК-2. В настоящее время эта машина выставлена в музее ВВС в Монино.
С конца 1959 г. параллельно с постройкой опытного самолета, не ожидая результатов летных испытаний, началось строительство серийных перехватчиков (изделие "И") на Воронежском авиационном заводе (ВАЗ) №64. В производство запустили сразу четыре самолета. Постройку первой серийной машины (№0101) завершили в начале 1961 г. В конце апреля начались рулежки, а 13 мая летчик-испытатель Вобликов совершил на ней первый 30-минутный полет. 10 июня на шестом полете самолет перегнали в Жуковский, где с 17 июня М.В.Козлов, А.Д.Бессонов и другие пилоты стали выполнять на нем регулярные испытательные полеты. С начала июля для подстраховки его также начали готовить к параду. Серийный перехватчик на тренировках постоянно сопровождал прототип. На параде, однако, показали только опытную машину, хотя серийная также находилась в воздухе.
В процессе заводских испытаний задания усложнялись, и не все полеты проходили нормально. Так, из-за плохой работы тормозов колес основного шасси имелись случаи разрушения тормозных тяг. Происходили также складывания ног шасси на пробеге, причину чего нашли не сразу. Лишь при повторных случаях складывания установили, что оно происходило из-за дефекта в цанговом замке подкоса. После доработок шасси стало функционировать нормально. В ходе полетов, выявился и недобор скорости. Ее значительно увеличили, заменив носки крыла на более острые. С целью повышения устойчивости перехватчика изменили зализы между крылом и фюзеляжем, а также провели ряд других, более мелких доработок. Внесение этих изменений вызывало большие перерывы в полетах и требовало их повторного проведения, что сказалось на темпах заводских испытаний, которые продолжались в течение всего 1961 г.
Тем временем со стапелей завода №64 продолжали сходить серийные Ту-28. 16 августа 1961 г. совершил полет первый самолет 2-й серии (№0201), принявший участие в испытаниях в Жуковском, 13 марта 1962 г. - второй самолет 2-й серии (№0202), 10 августа - первая машина 3-й серии (N°0301), в мае 1963 г. - первая машина 4-й серии (№0401), в октябре - второй самолет 3-й серии (№0302). Все изменения и доработки оперативно учитывались в серийном производстве. Уже на самолете №0301 изменили расположение блоков радиоэлектронного оборудования и переместили противопомпажные створки в среднюю часть фюзеляжа. Доработали и среднюю часть крыла, пилоны с АПУ-128 и многие другие элементы самолета.
20 марта 1962 г. начались совместные государственные испытания перехватчика. Из ГК НИИ ВВС в Жуковский прибыли военные летчики-испытатели Н.Коровушкин и Ю.Рогачев, атакже штурман-оператор Н.Мозговой. Вместе с пилотами ОКБ и МАП они выполнили ряд зачетных полетов. В этих испытаниях в различное время участвовали пять самолетов: первый опытный, серийные №0201, №0202, №0301 и №0401. В одном из полетов перехватчик, пилотируемый Ю.Рогачевым и Н.Мозговым, на высоте 11800 м потерял устойчивость и начал беспорядочно падать. Лишь благодаря исключительному мужеству, хладнокровию и мастерству пилота на высоте 2000 м машину удалось вывести в горизонтальный полет и благополучно посадить на аэродром. На протяжении всего падения Рогачев передавал на командный пункт информацию о поведении перехватчика и обо всех своих действиях. За этот полет экипаж наградили орденами. После анализа записей КЗА конструкторы провели необходимые доработки самолета для улучшения характеристик устойчивости и управляемости.