1 марта 1941 года летчик-испытатель завода №289 А.И.Кокин поднял в воздух первый опытный экземпляр самолета Су-6 (заводское обозначение «81» или «А»),
К маю 1941 года по программе испытаний выполнили около десяти полетов, в процессе которых обнаружили и устранили ряд дефектов по силовой установке и системам самолета.
12 мая из-за неисправности гидросистемы не выпустилось шасси, самолет совершил аварийную посадку. После ремонта испытания были продолжены.
В ходе заводских испытаний самолет Су-6 облетали летчики-испытатели ЛИИ НКАП М.Л.Галлай, А.Н. Гринчик, В.П.Федоров и Г.М.Шиянов. Машина оставила у них очень хорошее впечатление. Например, М.Л.Галлай в своем отзыве отметил: «Гармоничность всех рулей между собой, а также между отклонениями и эффективностью каждого руля – очень хорошая, что делает самолет весьма приятным в пилотировании.
Из всех известных мне самолетов по приятности в пилотировании Су-6 занимает второе место (первое принадлежит Нортропу, с которым Су-6 имеет много общего).
В целом самолет производит отличное впечатление – приятный в пилотировании, доступный по своей простоте для летчика средней квалификации, неутомительный в полете».
Заводские летные испытания завершились в августе 1941 года.
В заключении акта по испытаниям отмечалось:
«1. Самолет Су-6 обладает хорошими летными и пилотажными свойствами.
2. Для полного суждения о боевых и летных свойствах самолета Су-6, необходимо установить и отработать пушечное вооружение и наружные подвески для РС».
С 25 сентября по 10 октября 1941 года самолет Су-6 («81») проходил испытания в НИИ ВВС КА. Из-за выработки ресурса мотором М-71 и эвакуации завода №289 испытания остались незавершенными.
В середине декабря 1941 года П.О.Сухой в своем обращении к А.И.Шахурину предложил: «Для технологической отработки и тактической проверки самолета…построить несколько экземпляров Су-6.
Завод №19 имеет 6 свободных моторов М-71, а опытный цех Швецова может свободно изготовить еще столько же моторов и помочь механическими работами при изготовлении самолетов.
Прошу Вашего распоряжения о постройке заводом №289 девяти экземпляров Су-6 М-71 в первой половине 1942 года».
В январе 1942 года это предложение продублировал секретарь Молотовского обкома ВКП(б) по авиапромышленности К.Тарасьев.
В начале января завершили постройку второго опытного экземпляра самолета Су-6 («82»), Для проведения испытаний в г. Молотов прибыла бригада НИИ ВВС КА.
С 15 января по 23 февраля 1942 года летчик-испытатель НИИ ВВС КА майор А.К.Долгов выполнил на нем программу заводских испытаний, 24 февраля самолет перелетел в НИИ ВВС КА (г. Свердловск) для проведения государственных испытаний.