機体は、胴体から主翼へなめらかに変化させたブレンデッドウィングボディを採用し、主翼は、前縁に前縁フラップと後縁に翼幅の2/3程度のフラッペロンを装備しており、主翼前縁の付け根からコックピットの下部まで長く伸びたLERX(前縁付け根延長)が形成されている、これは、機体の重心位置の前方において揚力を発生させて、機首上げのモーメントを大きくすることにより、大きな迎角での飛行を可能としている。尾翼の垂直尾翼は垂直に取付けられており、水平尾翼は全遊動式で、ピボット(旋回軸)の位置を胴体尾端に置いており、水平尾翼が下げ位置になっても空気抵抗が発生しないように、引き込み式の流線型のフェアリングが装備されている。水平尾翼は左右の水平尾翼を差動させることが可能で、ピッチ軸(ピッチング)の操縦だけでなく、ロー軸(ローリング)の操縦にも使用される。エンジンのエアーインテークには、コンピュータ制御の可変式の取入れ口ガイドベーンが装備されており、飛行中での高機動時において発生するエンジンのコンプレッサー・ストール[5]を防いでいる、また、荒れた飛行場に離着陸の際、異物がエンジンに入るのを防ぐ為、グリット式の異物進入防止柵を装備しているほか、エアーインテークの側面にはルーバー型の補助空気取入れ口が装備されている。操縦装置は4重のアナログ式フライ・バイ・ワイヤ方式を装備しており、それにより機体を制御できるのはピッチ軸(ピッチング)だけで、ヨー軸(ヨーイング)は安定増強を行うだけとなっており、4基の飛行操縦コンピュータには、エアー・データ・ソースが別々の所から送られており[6]、機体に掛かる最大過重では+8.5Gから−2.5Gまでの間、迎角では30度から35度までの間で制限しているが、パイロットが飛行中に操縦桿を15kgの力で一杯に引くことによりリミッター解除スイッチが作動して、その制限を解除することができる。あらゆる高度においても、操縦席にあるボタンを押すだけで機体を自動的に水平直線飛行に戻すSAU-27自動飛行操縦装置[7]も装備されており、地上の管制ステーションやAWACS(早期空中警戒機)から機体を直接制御することが可能である。Su-27の最大の特徴は高い機動性であり、機動性の高さを示す例としてはコブラがよく話題にあがる。コブラは水平飛行しているところからさほど高度を変えることなく急激に機首を上げ失速寸前まで速度を落とす機動であり、1989年のパリ航空ショーでテストパイロットのヴィークトル・プガチョーフ(ロシア語版)の手によって初めて西側諸国の前で披露し注目を浴びた。[8]発展型であるSu-35では旋回中にコブラを行うフックを行うことが可能であった。その発展型であるSu-37では、高度を変えることなく1回転するクルビットを行うことが可能である。回転半径こそ大きくなってしまうもののSu-30MKI(英語版)/MKM(英語版)でも可能である。Su-27は長大な航続距離とミサイル搭載能力も持ち合わせている。機内燃料のみでミサイルを10t近く搭載し、4,000km近く飛行を行うことが可能である。ミサイル搭載能力については、最大で10発が搭載可能であり、10発の場合は、中距離空対空ミサイルであるR-27を6発、オフボアサイト射撃能力を持つ短距離空対空ミサイルのR-73を4発搭載するのが標準となっている。kmの射程を持つとされる。最新型のR-77は約90kmの射程とされている。(HMD)やTKS-2と呼ばれる通信システムがあげられる。IRSTは、UOMS製のOPES-27と呼ばれる赤外線を探知する装置で、コックピットの風防前にその収容部があり、最大で約50km先の目標まで探知することができる。レーダーは電波を探知されるのを防ぐため運用にある程度の制約がつくが、電波などの放出がないIRSTは、探知される危険性がないため運用の制限はない。一部ではこの機能によって「F-22が撃墜できるのではないか?」という推論もあるが、F-22は赤外線放出の減少も図られているため探知は困難とも考えられている。レーザー測距装置は、IRSTと同じく収容部に収められており、IRSTで探知した目標との距離を測定して(IRSTでわかるのは目標の方向のみで距離がわからない)目標の攻撃に必要な各種データを揃える。レーザー測距装置は約18km程度までしか使用できないが、編隊内の戦闘機間でのデータリンクにより、他の機体で測定した距離と自機で測定した距離、自機と他の機体との位置関係を利用した三角測量で目標との距離を算出でき、その目標データを編隊内の戦闘機間で共有できる。データリンクはIRST、レーザー測距装置、レーダーで探知した目標データを、戦闘機間だけでなく、AWACS(早期空中警戒機)や地上の管制施設とも共有できる。HMDは、従来のヘッドアップディスプレイ(HUD)とは違い、ヘルメットに照準用の画面を映し出すシステムで、Su-27ではヘルメットが動くとコックピットの風防前の収容部に装備されているIRSTのセンサーがリンクして動くようになっており、照準用の画面と共にIRSTにより、敵機のエンジン排気から放出する赤外線を探知する。それを自機に搭載された、オフボアサイト能力を持つR-73ミサイルの間でリンクすることで、機軸から左右60度の角度までの範囲にある目標に対してミサイルをロックオンせず発射して、その後のIRSTの追尾により、敵機の座標を、中間指令誘導によりミサイルに送ることで、発射後に目標をロックオンして目標を追尾することができる。高い機体性能をもつSu-27だが、アビオニクスは西側と比べ総合的には劣っている。ルービンレーダーと同じだが、機体がより大きいため、レーダーのアンテナ直径は大きくなっており、ルックダウン・シュートダウン能力を持ち、最大10目標の探知が可能で、戦闘機クラス(レーダー反射断面積が3m2程度)の目標に対する最大探知距離100km、目標の最大追跡距離75kmの性能を持っている。レーダー画像の表示は、コックピット前方計器盤右上部にある小型のスクリーンに表示されるが、合成開口レーダーの画像はヘッドアップディスプレイ(HUD)にも表示が可能である。それほど劣らないものの、複数の目標に対する同時攻撃能力が無く、ある目標をロックオンすると、他の目標の捜索や追跡が不可能となり、複数目標の同時ロックオンが出来ないなど他の面でかなり劣る部分があった。そのため、第1目標ロックオン後の第2・3の目標については、地上の警戒レーダーやAWACS(早期空中警戒機)などで目標を捕捉してもらい、その中から優先する攻撃目標の指示をそれらから受けることによりその問題をカバーしていた。発展型ではレーダーの換装が行われており、輸出型のSu-27SKでは、同時攻撃能力が付加され2目標のロックオンが可能なN001VEとなり幾つかのレーダーモードが追加された。既存のものについても最終的にN001VEPに換装された。その他に自己防御装置としてSPO-15"ベリューザ"レーダー警報システムを搭載しており、その受信部を垂直尾翼後縁に取付けている、これは、相手の航空機から発信されるレーダーなどの電波を受信して、システムに内蔵された情報ライブラリーと照合することにより、脅威電波の識別と度合いのほか、その方向、距離、システムの型式を表示できるようになっている。相手のレーダーを妨害するアクティブ方式の妨害装置も搭載しているがその詳細は不明である。後部胴体中央のテールコーンの上にAPP-50チャフ・フレア・ディスペンサーが装備されており、96発のチャフまたはフレアカートリッジを搭載できるようになっている。