Quá trình thực hiện chương trình FX được theo dõi chặt chẽ tại Liên Xô từ các thông tin công khai cũng như các tin tức tình báo đều được phân tích kỹ lưỡng. Vấn đề đã rõ ràng, phải định hướng theo F-15 để chế tạo máy bay tiêm kích thế hệ mới của Liên Xô. Các nghiên cứu đầu tiên theo hướng này thực hiện tại ba phòng thiết kế máy bay tiêm kích nổi tiếng trong nước vào những năm 1969-1970 là OKB - P.O. Sukhoi (Nhà máy chế tạo máy Kulon), A.I. Mikoian (Nhà máy chế tạo máy Moskow - Zenit) và A.S Iacovlev (Nhà máy chế tạo máy Moskow - Scoros). Ban đầu, công tác nghiên cứu được tiến hành ở dạng các sáng kiến và cho đến đầu năm 1971 mới trở thành dự án chính thức sau khi có quyết định của Uỷ ban các vấn đề về Công nghiệp Quốc phòng thuộc Hội đồng Bộ trưởng Liên Xô, và sau đó là chỉ thị tương ứng của Bộ trưởng Bộ công nghiệp hàng không về triển khai chương trình chế tạo "máy bay tiêm kích mặt trận tương lai" để đối lại với sự xuất hiện máy bay F-15 tại Mỹ.
Cũng như tại bên kia đại dương, máy bay tiêm kích mặt trận tương lai thế hệ mới của Liên Xô (các nhà thiết kế gọi là "phản F-15") được chế tạo trong điều kiện cuộc thi tuyển của các OKB P.O. Sukhoi, A.I. Mikoian và A.S Iacovlev. Tổng công trình sư Pavel Ocipovik Sukhoi không phải ngay từ đầu đã đồng ý tham gia chương trình này cho dù chính các chuyên viên OKB của ông là những người đầu tiên tiến hành các công việc sơ bộ để tạo dáng cho chiếc tiêm kích tương lai. Ông cho rằng, việc chế tạo chiếc máy bay với các đặc tính định trước trong điều kiện trình độ phát triển thiết bị điện tử lạc hậu tại Liên Xô lúc đó là vấn đề hết sức nan giải và OKB đang quá tải với các nhiệm vụ khác không kém cấp bách như: đầu năm 1970 phải đưa ra thử nghiệm những mẫu đầu của máy bay ném bom mặt trận (theo cách gọi bấy giờ là máy bay cường kích) Su-24, phải chuẩn bị bắt đầu các chuyến bay của máy bay ném bom mang tên lửa và trinh sát siêu âm tầm xa T-4 (project 100 Sotka), đẩy nhanh các công việc chế tạo mẫu cải tiến mới máy bay đánh chặn Su-15 và máy bay tiêm kích-bom Su-17, hoàn thành thiết kế máy bay ném bom chiến lược mọi điều kiện T-4MS (project 200), máy bay cường kích lục quân Su-25, thiết bị bay không người lái "Côrsun". Cuối cùng, dưới sức ép của Bộ trưởng, đầu năm 1971 P.O. Sukhoi mới quyết định bắt đầu triển khai công việc thiết kế bước đầu máy bay tiêm kích mặt trận tương lai mang mã số T-10 (tên gọi bí mật của Su-27 khi đó).
Hình dạng bên ngoài cũng như kết cấu kỹ thuật của chiếc T-10 được lựa chọn theo mẫu có từ trước đó (1969) của tổng công trình sư Vladimir Ivanovich Antonov. Theo mẫu này, máy bay có kết cấu khí động học dạng tích hợp, khung máy bay là thân mang duy nhất liên kết cánh và thân máy bay. Trước đó, kết cấu tích hợp đã được OKB Sukhoi áp dụng trong dự án máy bay ném bom chiến lược đa nhiệm mọi điều kiện T-4MS.
T-4MS prototype Phía trước thân mang của tiêm kích là phần đầu thân máy bay gồm khoang mũi với radar, buồng lái, hộp càng trước, khoang thiết bị dưới và sau cabin, còn dưới chúng ở phía sau là hai hộp treo độc lập với hai động cơ turbine phản lực cùng hai kênh dẫn khí với miệng hút khí có điều chỉnh nằm dưới thân mang. Gắn vào hai hộp động cơ là các dầm đỡ bộ đuôi ngang xoay và đuôi đứng đôi, cùng hai tấm cắt khí dưới thân. Sơ đồ tích hợp bảo đảm tăng đáng kể chất lượng khí động học của máy bay tiêm kích và cho phép tổ chức các khoang bên trong thân lớn để chứa nhiên liệu và thiết bị.
Để hiện thực hoá các đặc tính bay cho trước trong dải rộng về độ cao, tốc độ bay và góc tấn, dầm chìa cánh của máy bay tiêm kích mới sẽ có dạng hình uốn oval (hình sin) có lắp thêm tấm ốp ngoài phía trước. Theo tính toán của nhà chế tạo, tấm ốp ngoài phải bảo đảm tăng đặc tính mang của máy bay tại các góc tấn lớn (hơn 8-10
o) cùng đồng thời tăng momen chúc, ngóc khi bay lên. Tại các góc tấn lớn, tấm ốp ngoài trên cánh sẽ tạo ra hệ xoáy ổn định gồm hai bó dòng xoáy (một xuất hiện trên tấm ốp ngoài và lan trên cánh, bó thứ hai tại mép cánh cơ sở). Cùng với tăng góc tấn là sự gia tăng cường độ của các bó dòng xoáy, khi đó, trên bề mặt cánh dưới dòng xoáy sẽ tăng độ loãng khí và kéo theo là tăng lực nâng của cánh. Mức tăng lớn nhất độ loãng khí sẽ nằm phía trước trọng tâm máy bay tại phần cánh cạnh tấm ốp ngoài, do đó tâm điểm sẽ dịch lên phía trước và làm tăng momen chúc, ngóc. Các tấm ốp ngoài còn có ảnh hưởng lớn tới việc tăng và phân bổ các lực ngang, điều này dẫn đến giảm tác động mất ổn định của phần đầu máy bay.
Một đặc điểm quan trọng khác của T-10 đó là, lần đầu tiên trong lịch sử chế tạo máy bay tiêm kích, các nhà thiết kế Liên Xô đã hiện thực được quan niệm độ bất ổn dọc tĩnh của máy bay tại tốc độ dưới âm mà vẫn bảo đảm sự cân bằng dọc trong khi bay nhờ sử dụng hệ thống tự động ổn định điều khiển từ xa bằng điện với bốn lần dự phòng (EDSU). Ý tưởng thay thế các dây điều khiển cơ học truyền thống bằng EDSU đã được OKB sử dụng khi chế tạo máy bay T-4, việc thử nghiệm nó đã khẳng định tính đúng đắn của các giải pháp kỹ thuật chủ yếu. Việc hiện thực hóa quan niệm độ bất ổn dọc tĩnh (hay gọi cách khác - "độ ổn định điện tử") tạo nên nhiều ưu thế quan trọng: để cân bằng máy bay tại các góc tấn lớn đòi hỏi phải lệch mũi cánh ổn định hết lên trên. Khi này phần lực nâng của nó sẽ cộng với lực nâng của cánh, dẫn đến tăng đáng kể tính chất mang của máy bay trong khi lực cản của nó tăng không nhiều. Nhờ sử dụng kết cấu tích hợp không ổn định tĩnh, chiếc tiêm kích T-10 có được khả năng cơ động đặc biệt khác thường, cho phép nó thực hiện trên không các động tác mà các máy bay với kết cấu thông thường không thể đạt được và có tầm bay xa lớn không cần mang theo thùng dầu phụ.
Về kết cấu hệ càng ba điểm trên phương án T-10, các nhà chế tạo đã áp dụng sơ đồ càng kiểu xe đạp, với sự phân tải giống như trong các sơ đồ ba điểm truyền thống. Càng chính (càng sau) thu vào buồng càng có nắp tại tâm khung máy bay, giữa hai hộp động cơ, còn trụ phụ đỡ càng thu vào hộp chứa có nắp tại phần giữa cánh liệng và cánh tà.