Постройка первого опытного экземпляра Т-58Д-1. который предназначался только для снятия ЛТХ и отработки боковых воздухозаборников, завершилась в апреле 1962 г. Вместо радара и других целевых систем на нем установили контрольно-записывающую аппаратуру (КЗА) и центровочный груз. В ночь на 13 мая машину перевезли на летно-испытательную и доводочную базу (ЛИиДБ) ОКБ на территории ЛИИ в Жуковском. Ведущим инженером по летным испытаниям был назначен опытный специалист Р.Г.Ярмарков.
Устранение производственных недоработок и наземные испытания заняли чуть больше двух недель. 30 мая В. Ильюшин впервые поднял самолет в воздух До конца года на машине было выполнено 56 полетов, которые, прежде всего, доказали правильность решения об использовании новых двигателей – нареканий на их работу почти не было. Конструкция самолета оперативно дорабатывалась Так. было отмечено. что у Т-58Д-1 по сравнению с Су-11 заметно уменьшился запас путевой устойчивости. Проблему решили с минимальными издержками: увеличили площадь киля. подняв ого на 400 мм за счет т. н. «проставки». Кроме того, для повышения энергоемкости тормозов на основных стойках шасси установили колеса КТ-117 со спирто-водяной системой охлаждения.
Активно проводились наземные эксперименты и стендовые отработки Например. ОКБ-51 совместно с ЦАГИ продули несколько моделей Т-58Д. Были сделаны натурные стенды электро- и гидросистем, успешно проведен цикл статиспытаний планера самолета. В отдельную большую тему было выделено создание системы автоматического управления, впоследствии получившей обозначение САУ-58. При ее разработке в ОКБ получили широкое распространение методы математического. натурного и полунатурного моделирования. Для отработки САУ еще в 1961 г. был построен специальный моделирующий стенд, а для опережающих летных испытаний отдельных ее элементов использовался один из опытных Су-11 (Т47-4).
Осенью 1962 г в истории Т-58 появился первый документ, официально определявший тип его радара. 17 сентября вышло распоряжение ГКА1. в котором был задан следующий состав системы вооружения самолета: РЛС -Смерч-АС и 2 ракеты К-8М2 (с радио и тепловой ГСН) Такое решение позволяло унифицировать РЛС всех перспективных перехватчиков: Ту-28. Е-155 (будущего МиГ-25П) и Т-58Д. Но сроки создания "суховской" машины пришлось отодвигать, т. к. под новый локатор следовало перепроектировать НЧФ. да и опытного образца самой станции для установки на самолет все еще не было.
Фото-кинопулемет и антенны, установленные снизу носовой части Су-15