В феврале 1953 года Ил-40 покинул сборочный цех, и 7 марта начались заводские испытания. Десять дней спустя шеф-пилот ОКБ В.К. Коккинаки выполнил на нем первый полет.
Летные испытания штурмовика начались довольно гладко, но летом 1953 года первые же стрельбы из пушек выявили помпажные явления в двигателях. На Ил-40 его создатели предусмотрели на пушечной установке газовую камеру, предназначавшуюся для отвода пороховых газов через люк с управляемыми створками. Но этого оказалось недостаточно, и испытания машины из-за последовавших доработок затянулись до конца сентября. Надежды на успех появились лишь после замены шести пушек НР-23 на четыре – конструкции Афанасьева. Проведенные в сентябре испытания в воздухе показали, что при стрельбе очередями по 20 патронов из всех стволов и при стрельбе из двух верхних пушек очередью по 80 патронов двигатели работали нормально. Но при более длинных очередях ТРД снижали обороты, но не глохли. В декабре 1953 года П.В. Дементьев направил в президиум Совмина СССР доклад об окончании заводских испытаний Ил-40, где сообщал, что
Самолет оказался неплохим бомбардировщиком, поднимавшим до 1000 кг бомб. Бомбометание как с пикирования, так и с горизонтального полета осуществлялось с помощью прицела ПБП-6. Этот же прицел использовался для стрельбы из передних пушек и реактивными снарядами. В перегрузку предусматривалась подвеска восьми реактивных орудий ОРО-132 или двенадцати ОРО-82 по четыре и шесть орудий на двух балках соответственно.
Оборудование состояло, в частности, из связной РСБ-5 и командной РСИУ-4 радиостанций, переговорного устройства СНУ-5, автоматического радиокомпаса АРК-5, ответчика «свой – чужой», радиовысотомера РВ-2, маркерного приемника МРП-48П, аэрофотоаппаратов НАФА и АФА.
Самолет имел тепловые антиобледенители, защищавшие крыло, оперение и обечайки воздухозаборных устройств. Лобовое стекло летчика – с электрическим обогревом и гидравлическим стеклоочистителем.
В январе 1954 года первый прототип поступил в НИИ ВВС на государственные испытания, завершившиеся спустя два месяца. Ведущими по машине были летчик Кипелкин, стрелок-радист Яблонский и инженеры Фролов и Розанов. По приказу главкома ВВС с 22 по 30 января 1954 года летчики института Ю.А. Антипов, И.М. Дзюба, В.Г. Иванов и В.А. Иванов, облетав машину, констатировали, что Ил-40 можно запускать в серию, а выявленные недостатки устранить после государственных испытаний.