การออกแบบของซู-27 มีพื้นฐานอากาศพลศาสตร์ที่คล้ายคลึงกับมิก-29 เพียงแต่มีขนาดใหญ่กว่า มันเป็นอากาศยานที่มีขนาดใหญ่มากและเพื่อลดน้ำหนักโครงสร้างของมันจึงต้องใช้ไทเทเนียมในสัดส่วนที่สูง (ประมาณ 30% ซึ่งมากกว่าเครื่องบินลำใดๆ ในสมัยเดียวกัน) และมันไม่ใช้วัสดุผสม มีปีกลู่กลมกลืนเข้ากับลำตัวที่โคนปีกและเป็นแบบปีกสามเหลี่ยม แม้ว่าที่ปลายปีกถูกตัดให้สั้นเพื่อติดตั้งขีปนาวุธหรือกระเปาะตอบโต้อิเลคทรอนิก ซู-27 นั้นไม่ใช่เครื่องบินปีกสามเหลี่ยมอย่างแท้จริง อย่างไรก็ตามเพราะว่ามันมีส่วนหางคู่ที่ตั้งอยู่นอกเครื่องยนต์

เครื่องยนต์เทอร์โบแฟนไลยูก้า เอแอล-31เอฟของซู-27 มีพื้นที่หน้าตัดมากนั่นก็เพื่อทั้งความปลอดภัยและเพื่อป้องกันไม่ให้มีการขัดขวางอากาศที่ไหลผ่านเข้าช่องรับลม พื้นที่ระหว่างเครื่องยนต์ยังเพิ่มแรงยกและลดน้ำหนักที่ปีกต้องรับ กังหันที่เคลื่อนที่ได้ในช่องรับลมทำให้มันทำความเร็วได้ถึง 2 มัคและช่วยการไหลเวียนของอากาศในเครื่องยนต์ในมุมปะทะระดับสูง ตะแกรงเหรือช่องรับลมมีเพื่อป้องกันไม่ให้มีเศษวัสดุถูกดูดเข้าเครื่องยนต์ขณะบินขึ้น

ซู-27 เป็นการใช้ระบบฟลาย-บาย-ไวร์ครั้งแรกของสหภาพโซเวียต มันพัฒนามาจากโครงการเครื่องบินทิ้งระเบิดซุคฮอย ที-4 ของซุคฮอย ด้วยการผสมกับน้ำหนักบนปีกที่น้อยและการควบคุมที่ทรงพลัง มันทำให้เครื่องบินมีความว่องไวและควบคุมได้ในความเร็วต่ำและมุมปะทะระดับสูง ในงานแสดงทางอากาศมันได้แสดงให้เห็นถึงความคล่องแคล่วโดยทำมุมปะทะ 120° แรงขับของมันทำให้เครื่องบินเลี้ยวได้แคบจนแทบไม่มีรัศมี

สำหรับรุ่นกองทัพเรือ ซู-27เค (หรือซู-33) มีการติดตั้งปีกเสริมเพื่อเพิ่มแรงยกและลดระยะที่ใช้บินขึ้น ปีกเสริมเหล่านี้ยังมีในซู-30 ซู-35 และซู-37 บางรุ่น

นอกจากความคล่องแคล่วของมันแล้วซู-27 ยังใช้พื้นที่ของมันเพิ่มความได้เปรียบในการบรรจุเชื้อเพลิงภายใน เพื่อเพิ่มพิสัยให้ได้มากที่สุดมันสามารถจุเชื้อเพลิง 9,400 กิโลกรัมไว้ภายในได้ แม้ว่าจะเป็นข้อจำกัดในความคล่องตัวของมัน และมักจุ 5,270 กิโลกรัมโดยปกติ

ซู-27 มีอาวุธเป็นปืนใหญ่อากาศเกรยาเซฟ-ชิปูนอฟ จีเอสเอช-30-1 หนึ่งกระบอกที่โคนปีก และมีจุดติดตั้งอาวุธ 10 จุดสำหรับขีปนาวุธและอาวุธอื่นๆ ขีปนาวุธอากาศสู่อากาศที่มักใช้คือวิมเปล อาร์-73 วิมเปล อาร์-27 ในรุ่นที่ก้าวหน้ากว่าอย่างซู-30 -35 -37 ยังสามารถใช้วิมเปล อาร์-77 ได้อีกด้วย

ซู-27 มีจอฮัดและหมวกติดกล้อง ซึ่งจะคู่กับอาร์-77 และความว่องไวของเครื่องบินทำให้มันเป็นหนึ่งในเครื่องบินที่ทำการรบในระยะแบบด๊อกไฟท์ได้ดีที่สุดในโลก

ซู-27 ได้รับการติดตั้งระบบเรดาร์ของฟาโซตรอนรุ่น N001ซุค ซึ่งเป็นเฟสดอปเลอร์เรดาร์ที่ก้าวหน้ามาก สามารถตรวจจับวัตถุขนาด 3 ตารางเมตรได้ในระยะกว่า 100 กิโลเมตรในแนวรัศมีครึ่งวงกลมด้านหน้าและ 40 กิโลเมตรในแนวรัศมีครึ่งวงกลมทางด้านหลัง เรดาร์นี้มีความสามารถในการตรวจจับเป้าหมายได้ถึง 10 เป้าหมายและโจมตี 2 - 4 เป้าหมายนั้นได้ในเวลาเดียวกัน และสามารถประเมินระดับของภัยคุกคามได้โดยอัตโนมัติ

ในรุ่นหลังๆของซู-27 ได้มีการติดตั้งเรดาร์และระบบเตือนภัยแบบเอสพีโอ-15 (แอล-006) เบอร์โยซา เอาไว้ที่หางทางด้านหลัง พร้อมด้วยแฟลร์ลวงขีปนาวุธ 32 ชุด นอกจากนี้ยั้งมีการติดตั้งระบบลวงพรางทางสงครามอิเลคโทรนิคส์เอาไว้อีกด้วย

ซู-27 มีระบบติดตามและตรวจหาแบบอินฟราเรดหรือไออาร์เอสที (infrared search and track, IRST) ที่ติดตั้งอยู่บนส่วนจมูกเครื่องบินด้านหน้าห้องนักบิน ซึ่งทำงานร่วมกับตัวหาระยะแบบเลเซอร์ ระบบนี้สามารถเชื่อมต่อกับเรดาร์, หมวกติดกล้อง หรือใช้แบบแยกต่างหากสำหรับการโจมตีแบบ"ล่องหน"โดยใช้ขีปนาวุธอินฟราเรด มันยังทำหน้าที่ควบคุมปืนเพื่อเพิ่มความแม่นยำ

ในขณะที่ซู-27 และแบบต่อจากมัน (ซู-35 และ ซู-37) มีความคล่องตัวและการทำงานที่ยอดเยี่ยม แต่ขนาดที่ใหญ่โตของมันก็ทำให้อาจถูกตรวจจับโดยเรดาร์ได้ค่อนข้างง่ายเช่นเดียวกันกับ เอฟ-15

ในปีพศ. 2545 วารสาร Journal of Electronic Defense รายงานว่า ทางรัสเซียประสบผลสำเร็จในการพัฒนาระบบล่องหนพลาสมา (plasma-cloud-generation technology for stealth applications) และได้ทำการทดสอบกับซู-27ไอบี และสามารถลดขนาดที่สามารถถูกตรวจจับโดยเรดาร์ลงได้ถึงร้อยเท่า [1] ปัจจุบัน จำนวนเครื่องซู-27 ที่ได้รับการติดตั้งระบบนี้ยังเป็นความลับอยู่

การใช้ระบบล่องหนพลาสมา จะทำให้สามารถล่องหนจากเรดาร์ไปพร้อมกับรักษาความคล่องตัวในการบินเอาไว้ได้ในขณะเดียวกัน ทำให้เหนือกว่าเครื่องบินที่ต้องพึ่งพาวัสดุพรางเรดาร์ ซึ่งมักจะมีความแข็งแรงต่ำ ทำให้ความคล่องตัวต่ำลงอีกด้วย