Первый полет Ан-12 состоялся 16 декабря 1957 года в 14 часов 37 минут по местному времени (оно на пять часов отличалось от московского). В воздух его поднял экипаж в составе Героя Советского Союза Я.И. Верникова (командир, летчик-испытатель ЛИИ), Г.И. Лысенко (второй пилот, переведен в ОКБ из НИИ ГВФ), П.И. Уварова (штурман), И.М. Морозова (бортиженер), М.Г. Юрова (бортрадист), ВТ. Жилкина (бортстрелок).
В воздухе после уборки закрылков и уменьшения мощности двигателей возникла тряска носовой части фюзеляжа. Командир решил не рисковать единственной к тому времени машиной и через несколько минут прервал полет. Вскоре выяснилось, что тряска вызывалась незакрытой створкой передней ноги шасси и не была опасной. Со второго полета ведущим летчиком заводских испытаний назначили Г.И. Лысенко, как поговаривали, посчитав Верникова "перестраховщиком". За восемь месяцев Ан-12 прошел программу заводских испытаний, к концу которых участвовали уже три самолета.
Еще в ходе первых полетов летчики отмечали высокую энерговооруженность и аэродинамические качества самолета. Из-за резкого разбега незагруженной на испытаниях машины они часто не успевали своевременно создавать взлетный угол, поэтому отрыв происходил на повышенной скорости. Вследствие сильного реактивного момента четырех воздушных винтов левого вращения правая стойка шасси нагружалась больше левой, и Ан- 12 на разбеге проявлял тенденцию к развороту вправо, что было чувствительно при узкой колее шасси. Парировать этот эффект рулями не позволяла их малая эффективность в начале разбега. Разрешалось использовать для компенсации момента управление передней стойкой от педалей, обычно используемое при рулении.
По результатам испытаний конструкцию многих агрегатов и узлов самолета перед началом его массового серийного выпуска доработали. Для улучшения боковой динамической устойчивости, снижения влияния аварийной остановки двигателя и порывов ветра на динамику бокового движения самолета уже со второй машины в ходе испытаний изменили угол поперечного V крыла. Крыло приобрело характерную для Ан-12 форму «пологой чайки» – до 14-й нервюры консоли поднимались вверх под углом в 1°, а дальше начинали опускаться вниз с углом 3°. Кроме того, усилили хвостовую часть фюзеляжа, подвергавшуюся вибрациям из-за мощных спутных вихрей при открытии гру- золюка в полете. Нагрузки здесь оказались такими, что при первом же полете с открытым люком фюзеляж "повело", закрываться створки уже не захотели, и садиться пришлось с открытым люком.
В ходе испытаний была выявлена и недостаточная тяга первых АИ- 20 на режиме наземного малого газа, на котором выполнялся заход на посадку. На этом режиме винты самолета могли неожиданно самопроизвольно выйти на такой угол установки лопастей, при котором создаваемая тяга оказывалась значительно меньше, чем аэродинамическое сопротивление. По мере снижения Ан-12 терял скорость и проваливался перед самым касанием ВПП. На полетном малом газе, напротив, самолет не хотел снижаться. В целях предотвращения этого явления была разработана такая методика захода на посадку, при которой внутренние двигатели выводились в положение наземного малого газа, а внешние оставлялись на упорах полетного, тяга при котором была несколько выше.