Для испытаний на опытном заводе № 115 в Москве построили две машины, причем первую из них (№ 01) переделали из истребителя Як-27. Первый этап заводских испытаний продолжался с 28 апреля по 30 августа 1956 года. Поскольку ведущим летчиком был Г. А. Тиняков, бортовым и ведущим инженером по летным испытаниям был К. Б. Бекирбаев, летчик облета – В. М. Волков.
В октябре 1956 года самолет не приняли на испытания из-за невыполнения на нем ряда важных требований ВВС, наличия серьезных дефектов и недостаточного объема заводских испытаний. Самолет отправили на доработку и с 29 апреля по 22 июня провели контрольные заводские испытания. Ведущими на этом этапе были летчик В. Г. Мухин, ведущий инженер С. В. Фофанов и летчик облета В. М. Волков.
После доработки машины, связанной с удлинением носков концевых сечений крыла и установкой новых серийных аэрофотоаппаратов АФА-34ОК и АФА-37, улучшения обзора из кабины штурмана и смещения центровки на четыре процента средней аэродинамической хорды вперед за счет перекомпоновки оборудования, в июне 1957 года ее повторно предъявили на государственные испытания. Но и на этот раз не прошло «гладко», поскольку на Як-27Р имелись существенные отступления от требований ВВС.
Истребитель-разведчик Як-27Р в лаборатории средств спасения ОКБ-115
На самолете отсутствовали пушка НР-23 и связная КВ-радиостанция 1РСБ-70, не предусматривалась возможность воздушного фотографирования аэрофотоаппаратами, оснащенными объективами с фокусным расстоянием 70 и 50 см на качающейся установке АКАФУ. Устаревший прицел-визир ОПБ-1МА не обеспечивал решение задач воздушной разведки. Несмотря на усиление крыла, не были обеспечены безопасные запасы скоростей по реверсу элеронов и флаттеру, всасывающие каналы двигателей не защищены от попадания в них посторонних предметов при рулении, взлете и посадке самолета, не отработаны средства спасения экипажа в аварийной ситуации, которые не проходили летных испытаний.
Самолет в таком виде не мог служить образцом для серийного производства, тем не менее его решили принять для испытаний фотооборудования, начатых 21 сентября 1957 года. В ходе специальных испытаний на первой машине 23 сентября летчик-испытатель В. С. Серегин (штурман А. М. Богачев) при наборе высоты допустил ошибку, превысив максимально допустимую вертикальную скорость, и подошел близко к установленному ограничению приборной скорости 900 км/ч. На скорости 880 км/ч началась валежка. При парировании крена летчик не наблюдал за скоростью. Это привело к дальнейшему ее увеличению, и при 940 км/ч дал знать о себе реверс элеронов.
Борьба с креном сопровождалась продольной раскачкой машины, при которой была превышена десятикратная перегрузка, что привело к деформации элементов конструкции планера.
Государственные испытания Як-27Р прекратили, выполнив четыре полета. Но этого оказалось достаточно, чтобы выявить пониженную резкость изображения при съемке неподвижным АФА-34/ОК, а при качании АКАФУ изображение и вовсе было плохим. В итоге ЦАГИ и ОКБ-115 в ноябре 1957 года решили первый опытный Як-27Р после замены крыла использовать только для испытания фотооборудования, ограничив эксплуатационную перегрузку пятикратным значением вместо ранее установленной шестикратной.
На втором самолете (эталоне завода № 115) № 02 доработали часть крыла между лонжеронами, заменив между корневой и 21-й нервюрами дюралевую обшивку стальной толщиной 4 мм. Установили также жесткие законцовки, увеличившие размах крыла на 0,7 метра, и более тяжелые противофлаттерные грузы.
13 апреля 1958 года Як-27Р в третий раз предъявили на государственные испытания. В контрольно-приемочном полете на воздушное фотографирование вновь дала о себе знать плохая резкость негативов. Для выяснения причин этого выполнили семь полетов, но все повторилось. Самолет на государственные испытания не приняли и в этот раз, но решили провести специальные испытания, проходившие с 14 июня по 9 июля 1958 года. В итоге заказчик пришел к выводу, что «опытный самолет-разведчик Як-27Р № 01 <…> не может обеспечить выполнение всех возложенных на него задач…»
Як-27Р в ангаре Монинского музея ВВС
В том же году рассматривался вопрос об установке на Як-27Р телевизионной аппаратуры ближней разведки «Калий», но от этой идеи быстро отказались, сделав ставку на оборудование «Буревестник» аналогичного назначения.