Ту-124А/134, пилотируемый экипажем во главе с Александром Калиной, поднялся в воздух в свой первый полет 29 июля 1963 года. Вскоре после этого начинаются государственные испытания, которые проводит НИИ ВВС. Вскоре у самолета обнаруживается проблема, характерная для английского «БАК 1-11»: глубокий срыв, являющийся следствием нового положения хвостового стабилизатора. 22 октября 1963 года во время испытаний на минимальной скорости при положении закрылков для взлета первый самолет входит в глубокий срыв и разбивается. В тот же самый день и по той же самой причине разбивается лайнер «БАК 1-11»…
Используя аэродинамическую трубу ЦАГИ, конструкторы тщательно изучают проблему и после продолжительных исследований на 30 процентов увеличивают площадь горизонтального оперения. Это решает все проблемы. 6 ноября 1964 года испытания самолета завершаются.
В Харькове было построено два опытных образца, и программу летных испытаний продолжали на втором самолете. Больше серьезных проблем в полете не отмечалось. Результаты испытаний учитывались в конструкции следующих четырех самолетов, первый из которых был построен в августе 1964 года и поднялся в воздух 9 сентября. Фюзеляж этих самолетов был длиннее на 500 мм, что позволило увеличить число пассажирских мест до 64. Кроме того, во внешних секциях крыла были установлены дополнительные топливные баки.
В 1965 году появились новые двигатели Д-30 конструкции Соловьева со взлетной тягой 6 800 кг. За счет этого число пассажирских мест увеличили до 72. Эти двигатели устанавливали на серийные самолеты. Первый Ту-134 с бортовым номером СССР-65602, оснащенный двигателями Д-30 с серийным номером 00-04, поднялся в воздух 21 июля 1966 г.
По ходу летных испытаний вскрывается еще одна проблема. 14 января 1966 года разбился второй опытный образец Ту-134 с двигателями Д-20. Катастрофа уносит жизни восьми человек… Анализ данных бортового регистратора параметров полета показал, что для ускорения испытаний пилот, не сбросив скорость, повернул руль направления примерно на 25 градусов. Самолет сделал резкий вираж, вошел в пике, и дальше было неясно: свалился он в штопор или нет, но в результате самолет разбился. Селяков установил на руль направления ограничитель, и теперь максимальный угол поворота руля составлял 5 градусов.
К тому времени «Аэрофлот» был уже готов к эксплуатации Ту-134. Техобслуживание и ремонт самолета поручили заводу № 400. Позднее, по мере увеличения количества самолетов, к решению этой задачи подключили Минский авиаремонтный завод Nq 407. В начале 90-х годов основным авиаремонтным предприятием, осуществляющим капитальный и текущий ремонт Ту-134, оставался Минский завод, к которому впоследствии присоединился 412-й авиаремонтный завод в Ростове-на-Дону. Во Внукове было организовано обучение летно-технического состава. Внуково в который уже раз первым в «Аэрофлоте» начинает эксплуатацию Ту-134. Сначала, конечно, для летного состава и инженеров была организована наземная подготовка. Первый рейс на внутренних авиалиниях состоялся 3 сентября 1967 года по маршруту Внуково-Сочи. Как обычно (так поступают и сейчас), для приобретения опыта полетов, обслуживания и эксплуатации новых самолетов примерно год Ту-134 выполняли только грузовые рейсы.