20 апреля 1972 г. самолет «101» был принят экипажем на летные испытания. В ходе их было выполнено 8 рулежек, 4 из которых — скоростных (до 240–290 км/ч) с отрывом носовых колес. Причем уже на этапе скоростных рулежек использовались системой дистанционного управления (СДУ). Тесты полностью подтвердили ее эффективность. Учитывая то, что СДУ была четырехкратно резервирована, решено было уже первый полет выполнять под ее управлением.
Летом 1972 г. в Подмосковье горели леса и торфяники. Видимость из- за густого дыма, стелившегося по аэродрому, была недостаточной, и взлет самолета «101» постоянно откладывался. Первый вылет состоялся лишь 22 августа. Машину пилотировали заслуженный летчик-испытатель Герой Советского Союза В. Ильюшин и заслуженный штурман Н. Алферов.
Полет проходил при взлетном весе самолета 77300 кг. Шасси в воздухе не убиралось 4*. При взлете внутренние двигатели работали на максимальном форсажном режиме, внешние — на максимальном бесфорсажном. В полете на высоте 3000 м производилась качественная оценка устойчивости и управляемости самолета и работы СУ. Была выполнена имитация посадки самолета пролетом над полосой. Как и было предусмотрено, полет обеспечивался дистанционным управлением. Торможение самолета на пробеге выполнялось основной тормозной системой и тормозными парашютами. Продолжительность первого полета — 40 минут. Вес топлива составлял 20000 кг.
После первого полета испытания «101» были приостановлены. Сказались проблемы с еще не доведенным (по причине сложности) шасси. Пришлось заменять главные опоры шасси на модифицированные с доработанным механизмом разворота тележки при уборке шасси.
Перед вторым полетом, состоявшемся 4 января 1973 г., на самолете была выполнена скоростная рулежка. Шасси в полете опять не убиралось. В горизонтальном полете на высоте 3000 м при скорости 500–550 км/ч выполнялись дачи по крену и тангажу, импульсы рулем направления и элевонами по тангажу, проверялась работа двигателей и системы автоматического управления тягой. Максимальная высота полета 5000 м, продолжительность — 41 минута. Максимальная приборная скорость не превышала 630 км/ч. На снижении был выпущен перископ для проверки обзора через него. Посадка произведена с остатком топлива не более 4000 кг.
Третий раз самолет «101» поднялся в воздух 14 февраля 1973 г. В полете была произведена попытка уборки шасси. Однако внутрь вошли только передняя и правая основная опоры шасси — левая основная осталась снаружи. Выпуск шасси прошел нормально.
По плану летных испытаний первого этапа намечалось 10 полетов самолета «101», из них практически проведено 9. Первые пять полетов выполнялись с неубранными шасси. В пятом полете взлетный вес составлял уже 101 700 кг. В девятом, состоявшемся 6 июля, проводилась оценка устойчивости, управляемости самолета в процессе разгона с набором высоты с 10 000 до 12 000 м, числа М со значения 0,9 до 1,3.
Летные испытания первого этапа прошли удачно. В отчете об их проведении, подписанном заместителем Главного конструктора и ведущим летчиком-испытателем, сказано, что самолет «на рулении прост и хорошо управляем, на взлете устойчив и не имеет тенденции к самопроизвольному рысканью или подъему носа. Очень хороший обзор с опущенной головной частью фюзеляжа. Значительно облегчает выполнение руления, взлета и посадки самолета. Взлетный угол выдерживается просто, отрыв самолета происходит плавно. После подъема носовой части фюзеляжа по лет происходит по приборам. Установленный на самолете перископ дает хороший обзор вперед. Набор высоты прост и не требует от летчика повышенного внимания. В горизонтальном полете самолет управляем хорошо. Разгон и проход скорости звука спокоен. Момент прохода М-1 отмечается только по приборам. Заданный режим легко выдерживается элевонами и передним горизонтальным оперением. Интенсивность разгона само лета достаточно хорошая. Заход на по садку и посадка просты. Наличие авто мата управления тягой полностью разгружает летчика от работы двигателями на режиме захода на посадку. Самолет касается земли плавно, без тенденции к «козлению» или самопроизвольному опусканию носа, на пробеге самолет устойчив и хорошо управляем. Тормозные парашюты и тормозная система, система колес эффективны».
22 января 1974 г. состоялся первый полет (десятый по счету) второго этапа летных испытаний. В нем самолет достиг высоты 12 ООО м и скорости, соответствующей М=1,36.
На втором этапе летных испытаний предполагалось довести скорость до 3000 км/ч при максимальной взлетной массе 128 т и начать летные испытания второго экспериментального самолета — «102».
Полученные же при летных испытаниях «101-го» характеристики полностью совпали с расчетными. Что интересно, агрегаты планера, изготовленные из титановых сплавов и стали еще в 1968 г., в течение пяти лет эксплуатации не имели нарушений прочности и герметичности ни по одной из сварных точек.