Trong hoạt động tác chiến, S-27 được sử dụng như là một máy bay tiêm kích hạng nặng có bán kính hoạt động rộng, luôn làm chiếm thế trên không. Trên cơ sở của Su-27, nhà sản xuất đã cho ra mắt nhiều biến thể như máy bay huấn luyện - chiến đấu Su-27UB, tiêm kích cất cánh trên boong tàu sân bay Su-33, Su-33UB, tiêm kích đa năng Su-30, Su-35, Su-37 và máy bay ném bom chiến trường Su-34.
Su-27 được trang bị pháo 30mm Gsh-301, có thể mang tải tác chiến đến 6000kg tại các giá treo bên ngoài. Ngoài ra, nó còn có thể trang bị đến 6 tên lửa có điều khiển lớp không đối không tầm trung R-27ER1, R-27ET1, R-27ETE và 4 tên lửa có điều khiển tầm ngắn R-73 với đầu tự dẫn nhiệt.
Theo các chuyên gia quân sự nước ngoài, Su-27 được chế tạo để trực tiếp “so găng” với những loại máy bay chiến đấu thế hệ mới của Hoa Kỳ (F-14 Tomcat sản xuất năm 1970, F-15 Eagle sản xuất năm 1972, F-16 Fighting Falcon và F/A-18 Hornet). Hiện nay, Su-27 được đưa vào trang bị cho không quân các nước SNG, Ấn Độ, Trung Quốc và hàng loạt các nước khác trên thế giới.
Một số hình ảnh về “Sát thủ tấn công bên sườn” của Nga: