Як-27 (заводской шифр «изд. 21») строился в двух вариантах: с пушечным вооружением и с ракетным. Первые серийные истребители отличались от опытного Як-121 двигателями РД-9Ф, а также небольшими конструктивными изменениями, в частности, несколько другими обводами носового конуса, на вершине которого установили штангу ПВД. Вместо 37-мм пушек, имевших невысокую скорострельность, применили пушки НР-30. Часть самолетов оснащалась аппаратурой системы наведения «Горизонт-IB». В процессе производства на самолеты стали устанавливать доработанное крыло с отогнутым носком.
Головной Як-27 был испытан на заводском аэродроме в Саратове в июле 1957 г. летчиком Чувиным. На машине №0102 отрабатывался полет на одном работающем двигателе, а на Як-27 №0204 провели испытания в связи с установкой доработанного крыла. Прошедшие в НИИ ВВС госиспытания в целом подтвердили неплохие ЛТХ перехватчика, но перспективы самолет не имел - в конце 50-х гг. ставку делали на ракетные системы вооружения, поэтому истребитель, оснащенный только пушками, в серию вряд ли стали бы запускать.
Як-27, оборудованный системой вооружения К-8, получил обозначение Як-27К, а комплекс перехвата в целом - Як-27К-8.
Опытный сверхзвуковой разведчик Як-122
На Як-27Р, начиная с 14-й серии, стали устанавливать подвесные баки
Опытный самолет строился на заводе ОКБ-115 как второй прототип Як-121 и конструктивно мало отличался от первой опытной машины. Обтекатель РЛС стал немного короче, стабилизатор сделали переставным в полете, установили двигатели РД-9Ф. Емкость четырех внутренних топливных баков составляла 3215 л. Пилоны под ракеты К-8, как и на опытном Як-25К №0119, имели обратный вынос. Заводские испытания самолета проводились в сентябре-ноябре 1956 г., а повторные, после установки доработанного крыла - в мае-июне 1957 г. Ведущим летчиком-испытателем был Волков. За этот период на самолете выполнили 14 полетов общей продолжительностью 8 ч 07 мин. Все полеты проходили с подвешенными ракетами.
Серийные Як-27К, выпущенные на заводе №292, отличались от доработанной опытной машины чуть вытянутым вперед носовым конусом и наличием штанги ПВД. На них устанавливалась модифицированная под систему К-8 станция «Сокол-2К» и аппаратура системы наведения «Воздух-1». Самолеты снабжались тормозными парашютами ПТ-5240-57. Заводские испытания этих машин проводились в Саратове в течение 1958 г. С 12 по 27 апреля летчики-испытатели А.Г.Афанасьев и К.Рожковым на Як-27К №0503 выполнили 6 полетов продолжительностью 3 ч 07 мин. С 28 апреля по 3 июня Рожков и Чувин на Як-27К №0104, Ермолов и Каширин на перехватчике №0204 совершили еще 7 полетов общей продолжительностью 3 ч 27 мин, в которых определялись максимальные скорости, эффективность элеронов и балансировочные кривые при отключенных бустерах руля высоты и элеронов. Все полеты проводились с подвешенными ракетами.
Кроме трех упомянутых машин, в 1957 г. системой вооружения К-8 был оборудован и первый пушечный серий-ный Як-27 №0201. Тогда же на нем установили доработанное крыло. Контрольные испытания этого истребителя с целью проверки работы двигателей, оценки устойчивости и управляемости, а также определения его скоростных характеристик провел в декабре летчик-испытатель Ф.Л.Абрамов, выполнив 3 полета общей продолжительностью 1 ч 14 мин. До конца мая 1958 г. Як-27 №0201 участвовал отработке и заводских испытаниях системы К-8, проходивших на 6-м полигоне Минобороны в Ахтубинске (в/ч 15650). Наряду с ним, в этих работах задействовались два перехватчика Як-25К и опытный Як-27К. На этой машине выполнили 41 полет общей продолжительностью 24 ч 42 мин, на Як-27 №0201 - еще 3 полета.
За весь период испытаний на Як-27К было выполнено 74 полета, в том числе 37 - с ракетами. Максимальная скорость самолета на форсаже достигла 1270 км/ч, на максимальном режиме -1110 км/ч. Практический потолок на форсаже составлял 16300 м при полетной массе 9400 кг (взлетная - 10680 кг). Максимальная продолжительность полета на высоте 11000 м с подвешенными ракетами -1 ч 27 мин. Было произведено 7 пусков ракет, из них один - по парашютной мишени ПМ-1, а два - по самолетам-мишеням Ил-28. Стрельбы по самолетам производились на высотах 9000-10000 м с дистанции 5-6 км (дальность обнаружения цели - 33-35 км). Оба Ила удалось сбить. Як-27К получил достаточно хорошую оценку летчиков, но в 1958 г. на вооружение авиации ПВО приняли новый комплекс перехвата Су-9-51 с перспективой замены системы К-51 системой К-8. Этот самолет по своим характеристикам значительно превосходил Як-27К и тем самым перечеркнул его карьеру.
В 1955 г. вышло Постановление Совмина о разработке и постройке одноместного высотного истребителя-перехватчика с комбинированной силовой установкой, позволяющей получить практический потолок более 20 км.
Установка оборудования в отстыкованной передней части фюзеляжа опытного Як-27Р