В ходе пятнадцатилетней эксплуатации служба МиГ-27 ограничивалась только ВВС — на вооружение морской авиации до самых последних лет они не поступали. Однако полкам ИБА Прибалтики и Дальнего Востока назначались и морские цели, включая оказывавшиеся в пределах досягаемости авианосные группировки НАТО. Отработка ударов по морским целям проводилась на полигонах в прибрежных заливах, где мишенями служили заякоренные или притопленные на мелководье корабли и баржи. Здесь же базировались корабли группы управления, патрулировавшие закрытую для плавания акваторию и контролировавшие результаты атак. В Ленинградском округе «морской полигон» находился на Ладожском озере, под Одессой мишенные поля были оборудованы в безлюдных плавнях Днестровского и Днепро-Бужского лиманов.
Добиться поражения крупного боевого корабля «по типу А» (с потоплением цели) для МиГ-27 было проблематично не только из-за ограниченности вооружения, но и из-за необходимости действовать в зоне поражения мощной корабельной ПВО. Однако вывод их из строя (поражение «по типу В») оценивался как вполне реальный, хотя и требовал значительного наряда сил с учётом неизбежных потерь при прорыве к цели. Наступательных возможностей МиГ-27 вполне хватало, чтобы нанести значительный ущерб даже большому кораблю: попадание фугасной «пятисотки» давало изрядную пробоину и внутренние разрушения, а ракеты С-24 разносили борт и отсеки небронированной цели, чего с избытком хватало для десантного корабля или транспорта.
Во время пусков ракет на полигоне у острова Суурпаки в Финском заливе летом 1983 г. служившая целью баржа не дотянула до конца стрельб. Отработав по ней, очередной лётчик из 88-го апиб докладывал: «Мишень булькнула, только пузыри остались, надо ставить новую».
На Ладоге летом 1984 г. при выполнении пушечной атаки по надводной цели молодой лётчик 722-го полка перепутал и вместо баржи-мишени открыл огонь по находившемуся неподалёку кораблю управления. Не помогли ни флаги расцвечивания, ни сигнальные дымы — пушечной очередью его буквально развалило на части, на борту погибли командир, руководитель полётов и несколько офицеров.
Работа над морем часто осложнялась меняющейся погодой. В Дальневосточном округе при тактическом бомбометании по морским целям 11 июля 1987 г. были потеряны сразу два МиГ-27Д из 300-го апиб. На полигоне в сахалинском заливе Анива цели закрывала облачность с нижней кромкой до 400 м. Лётчикам, старшим лейтенантам С. Ю. Чуневу и М. Г. Князеву, пришлось пробивать облака, чтобы обнаружить мишени, но ведущий не заметил, что ошибся на 1000 м с выставлением высоты. Круто снижаясь, пара вынырнула из облаков и в пикировании ушла в воду.