27 октября 1966 года на этом самолете экипаж заводского летчика-испытателя И. Давыдова поднял на высоту 6600 метров груз массой 88103 кг, установив в одном полете сразу 12 мировых рекордов. Трудно дался этот полет экипажу. Запас топлива рассчитывался лишь на набор высоты и посадку. Однако на обратном пути, уже на подходе к аэродрому их подстерегла неожиданность. Из-за нехватки топлива встали сразу три двигателя, а в момент выравнивания остановился и четвертый. В 1960 году ОКБ испытало самолет Ан-10 с последовательным выключением двигателей. К тому полету готовились долго, и он прошел успешно, да и вес самолета был почти в четыре раза меньше. В рекордном полете отключение двигателей произошло неожиданно, тем не менее экипаж с честью вышел из сложнейшей ситуации.
В июне 1967 года самолет вновь продемонстрировали на авиационно-космическом салоне в Париже, на этот раз туда прилетел самолет № 01–03 под обозначением СССР — 56391, доставив почти всю советскую экспозицию, включая макет космического корабля «Восток». В следующем месяце три «Антея» продемонстрировали на авиационном празднике в Домодедове, из которых был высажен посадочный десант — самоходные зенитно-реактивные комплексы, а на статической стоянке демонстрировали пятый экземпляр самолета (№ 01–05), и каждый желающий мог ознакомиться с его внутренним содержанием.
В октябре того же года экипаж летчика И. Давыдова вновь удивил мир. Груз весом 100,4446 тонны подняли на высоту 7848 метров. Рекордные полеты принесли славу стране и создателям самолета, но нисколько не повлияли на улучшение эксплуатационных качеств. Максимальный разрешенный вес транспортируемого груза так и остался на уровне 60 тонн. По грузоподъемности Ан-22 относится к числу тяжелых транспортных самолетов и по весу находится между американскими С-141 и созданным значительно позже С-5А «Гэлэкси». Своему же появлению «Гэлэкси» обязан «Антею», стимулировавшему дальнейшее развитие грузовых самолетов.
Вслед за этим в октябре 1976 года в филиале НИИ ВВС начался этап государственных испытаний. Надо отметить, что подготовка к ним шла ускоренными темпами не только в Киеве и Ташкенте. В то время на подмосковном аэродроме Чкаловская, на долю которого пришелся основной объем испытаний, реконструировали основную взлетно-посадочную полосу для приема столь тяжелых самолетов, и в течение двух лет Ан-22 летали с короткой второй полосы.
В НИИ ВВС в состав экипажа вошли ведущие летчик-испытатель А. Тимофеев и штурман-испытатель М. К. Кот-люба. Ведущим инженером назначили Н. Жуковского. В ходе испытаний 24 октября выполнили первый дальний перелет на Дальний Восток. Маршрут Чкаловская — Воздвиженка был пройден за 12 часов 9 минут.
Здесь же, в Чкаловской, проводили испытания Ан-22 на парашютное десантирование техники. Было очень удобно. Самолет после взлета, сделав круг, примерно через десять минут оказывался над точкой сброса — бывшим аэродромом Медвежьи озера, превращенным в полигон.
Применение высокоэкономичных двигателей НК-12МА в какой-то мере компенсировало довольно низкое аэродинамическое качество самолета — около 14. Стоимость перевозки одного килограмма груза в течение часа в ценах 1970 года не превышала двух копеек, что позволило
Ан-22 долгое время быть самым экономичным транспортным самолетом.
В 1969 году «Антей» в третий раз продемонстрировали в Париже, но на этот раз не ограничились показом на статической стоянке. Экипаж Ю. Курлина несколько раз показывал Ан-22 в полете, а в одном из них, отключив два двигателя с одной стороны фюзеляжа, прошел над ВПП на высоте 20 метров.
Как уже говорилось, на самолетах первой серии стояли РЛС «Инициатива-4-100». Сначала ее антенна располагалась под правым обтекателем шасси, но впоследствии, из-за искажения диаграммы направленности антенны, ее перенесли в носовую часть, разместив под кабиной штурмана.
Доводка и испытания Ан-22 продолжались до принятия самолета на вооружение в январе 1974 года. Именно в этот период на Ан-22 экипажи летчиков-испытателей И. Давыдова, М. Попович, С. Дедуха, Ю. Романова и командующего ВТА Г. Пакилева установили 40 мировых рекордов, в том числе рекорд скорости полета 584,042 км/ч с грузом 40 т на дистанции 5000 км. Тогда же «Антеи» неоднократно привлекали для решения народно-хозяйственных задач.