Постройка первого опытного образца Су-27КУБ, получившего фирменное обозначение Т10КУБ-1, началась только в 1995 г. Для этого использовался Т10К-4. Начиная с ноября, на КнААПО изготовили большинство новых агрегатов корабельной «спарки», а окончательную сборку самолета провели на опытном производстве ОКБ Сухого. На аэродром в подмосковном Жуковском новая машина была выведена весной 1999 г. Испытания начались до проведения окончательной окраски самолета, и характерный желтый цвет авиационного грунта на новых деталях и агрегатах позволял наглядно убедиться в большом объеме доработок конструкции. Фактически неизменными, унаследованными от Су-33, а поэтому сохранившими штатную серо-голубую окраску, остались только гондолы двигателей с воздухозаборниками, а также отсеки средней и хвостовой частей фюзеляжа.
29 апреля 1999 г. экипаж в составе летчиков-испытателей Пугачева и Мельникова впервые поднял Су-27КУБ в воздух. В конце августа самолет был перебазирован на аэродром Саки для проведения испытаний на комплексе «Нитка». Утром 3 сентября новая машина под управлением Виктора Пугачева и Романа Кондратьева впервые произвела посадку на аэрофинишер «Нитки», а утром 6 сентября состоялся и ее первый взлет с трамплина комплекса.
Вскоре Су-27КУБ перегнали на Север. 6 октября стало датой второго «рождения» самолета, которым в палубной авиации принято считать первые посадку и взлет с корабля. Их выполнили все те же Пугачев и Кондратьев. Затем самолет вернулся для проведения доработок и дальнейших испытаний в подмосковный Жуковский. И здесь его ждало тяжелое испытание. 16 июня 2000 г. при полете на малой высоте на максимальной скорости Су-27КУБ попал в неисследованную область режимов, в результате чего разрушилась правая консоль ПГО, были повреждены головная часть фюзеляжа, остекление кабины, некоторые другие элементы конструкции, и произошел отказ правого двигателя. Пугачев и Кондратьев получили ранения, но, проявив лучшие качества летчиков-испытателей, благополучно завершили этот полет на аэродроме ЛИИ.
Ремонт и необходимые доработки конструкции самолета были проведены оперативно. Уже 19 декабря Виктор Пугачев и Сергей Богдан облетали самолет, а через день машина была в Саках. Там к испытаниям Су-27КУБ присоединились летчики ГЛИЦ АМ.Раевский, Н.ФДиордица и В.С.Петруша. С их участием была проведена работа по оценке взлетно-посадочных характеристик самолета при взлете с трамплина и посадке на аэрофинишер, в том числе с максимальными взлетной и посадочной массами. Машина заслужила благоприятные отзывы военных испытателей. Однако, прежде чем быть запущенной в серию и поступить в строевую эксплуатацию, ей еще предстояло немало испытательных полетов.
В августе 2001 г., свежеокрашенный в стандартный для российских корабельных истребителей серо-голубой камуфляж, получивший бортовой №21 Су-27КУБ стал участником авиасалона МАКС-2001 в Жуковском. Испытания Су-27КУБ на «Нитке» продолжились весной 2002 г., где в том числе исследовалась работа РЛС «Жук-МС», в частности, были проведены полеты по оценке ее работы в режиме картографирования местности. Затем самолет вновь перегнали в Жуковский для проведения дальнейших доработок.
В 2003 г. Су-27КУБ был оснащен новой РЛС «Сокол» («Жук-МСФ») с пассивной фазированной антенной решеткой диаметром 980 мм, которая призвана обеспечить значительно более высокие тактические характеристики. Например, возрастает дальность обнаружения воздушных целей (до 180 км в передней полусфере и до 60 км – в задней), появляется возможность одновременного сопровождения 15 и одновременного обстрела ракетами четырех воздушных целей. Надводную цель типа «эсминец» станция может обнаруживать на дальностях до 300 км, а цель типа «ракетный катер» – до 150 км. Электронное управление лучом позволяет совмещать режимы «воздух-воздух» и «воздух-поверхность». Кроме того, на Су-27КУБ установили опытные двигатели АЛ-31Ф серии 3 с управляемым вектором тяги, что позволяет еще более повысить пилотажные свойства самолета и улучшить взлетно-посадочные характеристики.
Новый этап испытаний Су-27КУБ начался в конце лета 2003 г. В дальнейшем на самолете планируется осуществить ряд мероприятий по совершенствованию другого бортового оборудования, в частности, установить современную систему индикации. Ожидается, что в 2004-05 гг. к испытаниям присоединится опытный Т10КУБ-2, который воплотит в своей конструкции ряд доработок и усовершенствований. Он будет отличаться от первого прототипа несколько перекомпонованной кабиной экипажа, а также увеличенным запасом топлива. Машина будет полностью построена на КнААПО, которое готово к серийному выпуску Су-27КУБ.