Подготовку к первому вылету провели под руководством ведущего инженера В. А. Архипова и его помощника Л. Г. I Пен голая, а также руководителей отдела летных испытаний Г. А. Седова и К. К. Васильченко. Самолет проверялся и отлаживался на земле до начала марта 1964 г.
6 марта шеф-пилот фирмы А. В. Федотов поднял Е-155Р-1 в воздух. Позже к заводским испытаниям машины подключился П. М. Остапенко. В принципе, два этих летчика и выполнили основной объем летных работ на начальном этапе испытаний.
Дозвуковые полеты не принесли никаких неожиданностей. Неприятности начались при подходе к сверхзвуковому барьеру — самолет заметно кренился, и даже полная дача элеронов в противоположную сторону не компенсировала крена. Пока конструкторы искали технические пути решения проблемы, летчики, дабы не терять времени, нашли способ уменьшить эффект заблаговременным кренением самолета в сторону, противоположную «валежке». При прохождении звукового барьера крен исчезал.
Было бы странным, если бы при испытаниях столь уникальной по новизне и сложности машины не вылезли огрехи. Они, конечно, были: повышенные колебания крыла при частичном заполнении топливом концевых баков (позже их сняли); уменьшение запаса статической устойчивости на предельных скоростях; неустойчивое горение в форсажной камере на больших высотах; повышенный расход топлива при наборе высоты; образование на больших числах М и больших углах атаки «пелены» (визуально наблюдаемой турбулентности пограничного слоя воздуха на входе в воздухозаборник) и т. д.
К сожалению, взлетный вес Е-155Р-1 оказался выше расчетного (эта вечная конструкторская проблема!), а аппетит двигателей таким большим, что о достижении требуемой дальности полета не могло быть и речи. Поэтому под топливо были отданы почти все свободные объемы в фюзеляже, крыле и килях, а кроме того под брюхом предусматривалась подвеска бака внушительных размеров.
В 1965 году был построен и второй опытный разведчик — Е-155Р-2. Это позволило значительно расширить программу испытаний (к тому же к ним подключились и два построенных опытных перехватчика, о коих речь пойдет ниже). Полеты стали осуществлять летчики-испытатели ЛИИ и ГНИКИ ВВС, а также пилоты горьковского авиазавода. Внешне Е-155Р-2 отличался от Е-155Р-1 отсутствием баков на концах крыла.
Характеристики, полученные на заводских испытаниях (около 200 полетов) в основном удовлетворяли требованиям ВВС. Была достигнута достаточная устойчивость и управляемость, облетан практически весь диапазон высот и скоростей.
И все-таки объем исследований был таков, что четырех прототипов для всестороннего и скорейшего проведения испытаний не хватало. Так как мощности ОКБ-155 в Москве было недостаточно, заказ на изготовление установочных партий разведчиков и перехватчиков сделали Горьковскому серийному заводу. Их предприятие начало выпускать уже с 1965 г. Первой из машин установочной серии из ворот цеха выкатили Е-155Р-3. В отличие от предшественников он был укомплектован различной дневной фоторазведывательной аппаратурой. Самолет имел внешние отличия. Вместо концевых баков на концах крыла располагались противофлаттерные грузы, крыло имело угол установки +2°, кили увеличились по высоте. Уже в процессе испытаний под «брюхом» «Р-3» смонтировали гигантский бак (5300 л). Длина его превышала половину длины самолета! Борьба за дальность продолжалась.