Для решения задач «воздух-поверхность» в арсенал самолета добавили самонаводящиеся ракеты Х-29Т с телевизионными ГСН, корректируемые бомбы КАБ-500Кр и противокорабельные ракеты Х-31А. Наконец-то под его крылом «прижились» и противора- диолокационные ракеты Х-31П, значительно расширившие возможности машины при прорыве ПВО, оснащенной самыми современными средствами, в том числе и ЗРК «Патриот». Применение этих УР стало возможным благодаря новой модульной системе радиотехнической разведки и управления проти- ворадиолокационными ракетами «Пастель», примененной вместо станции предупреждения «Береза». «Пастель» позволяла не только обнаруживать РЛС противника, но и ранжировать их по степени опасности, управлять головками противорадио- локационных ракет, работая одновременно с двумя из них, а также выдавать необходимую информацию бортовым средствам РЭП. Для борьбы с воздушными целями Су-27М оснастили новыми ракетами средней дальности Р-77. Для размещения дополнительного вооружения под крылом были установлены два дополнительных узла подвески -теперь их стало 12.
Расширение состава оборудования и, в первую очередь, применение новых РЛС потребовало изменить конструкцию носовой части фюзеляжа и хвостовой балки. Был установлен носовой конус большего диаметра, в левой части носового отсека разместили выдвижную штангу системы дозаправки, а визир ОЛС был смещен вправо от оси самолета. Для увеличения запаса топлива на борту увеличили объем крыльевых баков и организовали новые баки внутри килей. В результате масса пустого самолета по сравнению с серийным Су-27 возросла более, чем на 1500 кг, а максимальная взлетная достигла 34 тонн! Естественно, это потребовало усиления некоторых элементов планера и шасси, особенно передней опоры. Другим следствием роста массы стала угроза снижения летных характеристик машины, а этого допустить было никак нельзя. Здесь и пригодилась новая компоновка самолета с ПГО, которая в сочетании с ожидаемым ростом тяги двигателя АЛ-31Ф позволяла не терять оптимизма.
В 1987 г. на опытном производстве ММЗ им. П.О. Сухого было начато переоборудование серийного Су-27 № 16-02 в первый опытный Т10М-1. 28 июня 1988 г. эту машину с бортовым номером 701 поднял в воздух старший летчик-испытатель ОКБ О.Г. Цой. Спустя полгода, 18 января 1989 г., к испытаниям присоединился второй опытный Т10М-2, также переделанный из серийного истребителя, а завод в Комсомольске приступил к подготовке производства опытной серии модифицированных самолетов. По результатам испытаний первых «эмок» на последующие машины установили кили увеличенной площади и высоты. Впервые такое вертикальное оперение было применено на Т10М-3, ставшем головным многофункциональным истребителем опытной серии. Поскольку он строился «с нуля», а не переоборудовался из обычных Су-27, то имел полный набор заложенных в проект конструктивных особенностей – увеличенные кессон-баки, штангу дозаправки, новую носовую часть фюзеляжа и усиленную переднюю опору шасси с двумя колесами. В хвостовой части на месте контейнера тормозного парашюта установили обтекатель РЛС заднего обзора, однако самой станции еще не было. Парашют перенесли ближе к середине самолета, разместив его в выдвижном контейнере. Первый полет Т10М-3 под бортовым номером 703 состоялся 1 апреля 1992 г. В том же году с целью определить экспортные возможности машину под обозначением Су-35 (первый с таким названием) представили за границей – на авиасалоне в Фарнборо.