В ходе испытаний опытных Т10М (Су-35) выполнялись такие манёвры, как «кобра». «хук» и «колокол», связанные с выходом на сверхбольшие углы атаки и околонулевые скорости. Все они вполне могли применяться в воздушном бою. Однако управление самолётом в процессе их выполнения было практически невозможно из-за недостаточной эффективности аэродинамических органов управления на малых скоростях. Лётчик при этом не мог ни влиять на скорость изменения пространственного положения самолёта, ни удержать его на сверхбольших углах, независимо от того, успел ли бортовой локатор захватить цель и успела ли сойти ракета. Стремление обеспечить надежную возможность удержать самолёт в этих состояниях необходимое время (3-4 секунды и более для выполнения нормального захвата цели и пуска ракеты) и быстро выйти из них привело к идее изменения в полёте вектора тяги силовой установки, которое позволяло бы выполнять управляемые фигуры пилотажа практически на нулевой скорости без ограничений по углу атаки (на режимах сверхманевренности).
С 1983 года в ОКБ Сухого начали изучать возможность использования на истребителе управляемого вектора тяги (УВТ) силовой установки. В западной литературе уже тогда писали о двухмерных прямоугольных соплах как наиболее удобных устройствах для этого. Но Генеральный конструктор М. П. Симонов настоял на выборе отклоняемого осесимметричного сопла. В СибНИА провели несколько серий испытаний модели с имитацией работы двигателей с поворотными осесимметричными соплами, хотя в институте моделировали и поворотные плоские сопла. К 1985 году стала вполне ясной картина сил и моментов, возникающих при повороте сопел двигателей. Был создан научно-технический задел для компоновки истребителя с изменяемым вектором тяги. Можно было приступать к проектированию самолёта и соответствующего двигателя.
Работы по программе модернизированного истребителя Т!0М, оснащённого двигателями с отклоняемым вектором тяги (поворотным соплом), начались в ОКБ им. П. О. Сухого в 1988 году. Они осуществлялись с учётом опыта создания истребителей Су-27 и Су-35 на базе новых прогрессивных решений и технологий.
Основным побудительным мотивом разработки усовершенствованного варианта Т10М было стремление улучшить маневренные характеристики истребителей серии Су-27/Су-35 как на больших скоростях, так и на малых, ранее просто недоступных для реактивных самолётов.
В конце 80-х — начале 90-х годов в рамках работы по этой программе были впервые проведены экспериментальные полёты летающей лаборатории с двигателями, оснащёнными поворотными в вертикальной плоскости соплами. Положительные результаты испытаний позволили успешно завершить проектирование нового варианта самолёта.
Первый опытный экземпляр истребителя с отклоняемым вектором тяги строился как очередной, 11-й, прототип самолёта Су-35, под шифром Т10М-11 (синий бортовой номер «711»). Машина создавалась совместными усилиями ОКБ им. П.О. Сухого и ОКБ им. А. М. Люльки (НПО «Сатурн») с привлечением ряда институтов и других организаций, в том числе французской фирмы «Секстан авионик»
Т10М-11 перерабатывался под новый мощный двигатель АЛ-37ФУ с повышенной тягой и поворотным соплом. Планер опытного самолёта строился на заводе в г. Комсомольске-на-Амуре, который кроме выпуска серийных Су-27 уже построил 10 прототипов Т10М, несколько самолётов Су-27М войсковой серии, а также несколько десятков серийных корабельных истребителей Су-27К (Су-33). Однако доработка Т10М-11, установка новых систем и оборудования велась на опытном производстве ОКБ в Москве. Машина была закончена постройкой уже к началу 1995 года, но к этому времени работа по новому двигателю не была завершена. Поэтому на самолёт установили модернизированные двигатели АЛ-31ФП также с поворотными в вертикальной плоскости соплами и механизмом поворота, взятым с АЛ-37ФУ. Тяга силовой установки была несколько ниже запланированной. Однако это не помешало разработчикам приступить в 1995 году к наземным испытаниям опытного истребителя.
В отличие от серийных Т10-С опытный истребитель Т10М-11 оснастили цифровой (а не аналоговой, как ранее) электродистанционной системой управления (ЭДСУ) самолётом. Её выполнили четырехкратно резервированной в продольном канале и трехкратно резервированной — в боковых каналах управления. Для увеличения надёжности все вычислители ЭДСУ работают параллельно.
Система автоматизированного управления самолётом обеспечивала отклонение всех аэродинамических органов управления, а также поворот сопел двигателей посредством перемещения ручки управления самолётом. При этом безопасность полёта достигалась автоматическим ограничением перегрузок истребителя в зависимости от его веса и полётных режимов. Был предусмотрен и режим автоматического вывода из штопора.
В кабине самолёта заменили центральную ручку управления короткоходовой боковой, а традиционные рычаги управления двигателем (РУД) — тензометрическими (тензоРУД), позволявшими изменять тягу посредством кнюппелей. Это повышало точность пилотирования и исключало возможность непроизвольного перемещения летчиком органов управления при больших перегрузках. Интегральная электродистанционная система управления с автоматическим отклонением вектора тяги силовой установки давала возможность реализовать сверхманевренность на предельно малых и практически нулевых скоростях полёта.
Т10М-11 укомплектовали многоканальными и алгоритмически защищенными информационными и прицельными системами, а также новым бортовым оборудованием. В состав радиолокационного прицельного комплекса планировалось включить модернизированную когерентную им-пульсно-доплеровскую радиолокационную станцию Н011М «Барс» с неподвижной фазированной антенной решеткой, разработанную в НИИП им. В. В. Тихомирова для самых последних модификаций «тридцатой» серии (Су-37, Су-35УБ и Су-З0МКИ), а также РЛС заднего обзора Н012. Усовершенствованный комплекс должен был обнаруживать и сопровождать «на проходе» до 20 воздушных целей с эффективной поверхностью рассеивания в 3 м² на дальности до 140-160 км в передней полусфере и до 30-50 км в задней полусфере, обеспечивая при этом одновременный обстрел восьми из них. Дальность обнаружения наземных целей с эквивалентной отражающей поверхностью в 3000 м² составляла 130-170 км, а зона обзора бортовой РЛС в передней полусфере — 90° по азимуту и 55° по углу места. В задней полусфере РЛС Н012 обеспечивала обзор по азимуту и углу места в пределах 60°.
Новое, рационально спроектированное информационно-управляющее поле кабины лётчика имело четыре больших жидкокристаллических многофункциональных индикатора французской фирмы «Секстан авионик» с повышенной защитой от засветки солнцем (в отличие от электронно-лучевых). В числе широкоформатных дисплеев, скомпонованных на приборной панели по схеме «3+1», были комплексный пилотажно-навигационный индикатор, индикатор тактической обстановки, индикатор контроля состояния бортовых систем и индикатор пульта управления рабочими режимами. Все индикаторы в кабине — взаимозаменяемы, и информация от конкретных систем может высвечиваться по желанию лётчика на любом из них. Ещё один комплексный коллима-торный широкоугольный индикатор установили для представления информации на фоне лобового стекла. Повышенный уровень комфортности кабины увеличил переносимость лётчиком перегрузок, а, следовательно, повысил гарантию полной реализации боевых возможностей машины строевыми пилотами.
По сравнению с серийным Су-27 возможности нового бортового оборонительного комплекса Т10М-11 также существенно расширились. В его состав вошли станция радиотехнической разведки нового поколения, станция инфракрасной разведки, приёмник системы предупреждения о радиолокационном облучении противником и активные системы подавления, работающие в оптическом и радиолокационном диапазонах, а также средства постановки пассивных радиолокационных и инфракрасных помех (автомат выброса дипольных отражателей и ИК-ловушек). Связное оборудование включало радиостанции УКВ и KB диапазонов, аппаратуру телекодовой защищенной связи, а также систему спутниковой связи.
Установка нового комплекса бортового оборудования с увеличенным энергопотреблением потребовала роста мощности электро- и гидропитания. На машине установили новые электрические генераторы и гидронасосы.
Первый полёт на Т10М-11 совершил 2 апреля 1996 года лётчик-испытатель ОКБ, Герой России Евгений Фролов. Позднее к полётам подключился другой лётчик-испытатель фирмы — Игорь Вотинцев. К 14 июня 1996 года они выполнили 12 полётов. Весной этого же года машина, которой в связи со значительными отличиями от самолёта Су-35 присвоили официальное название Су-37, демонстрировалась журналистам и специалистам на аэродроме ЛИИ в Жуковском. В сентябре 1996 года впечатляющий пилотаж нового российского истребителя, управляемого Фроловым, смогли увидеть иностранные специалисты в Фарнборо. Перемещением ручки управления самолётом лётчик осуществлял отклонение всех рулевых поверхностей и поворотных сопел двигателей, которое оптимальным образом координировала электродистанционная система управления. Безопасность полёта обеспечивалась упомянутой выше автоматикой предотвращения опасных режимов, а также многократным резервированием всех каналов СДУ. Поэтому лётчику на Су-37 не приходится задумываться ни о перегрузках, ни об углах атаки, что во многом исключает возможность совершения ошибок пилотирования в бою.
У Су-37 появились новые маневренные качества: возможность быстро изменять ориентацию фюзеляжа на углы до 180° и удерживать его в этом положении в течение необходимого для пуска ракеты времени. Отсутствие ограничений по углам атаки и появление существенного прироста подъёмной силы при нестационарном обтекании, вызванном большими угловыми скоростями тангажа, также способствовали появлению новых видов манёвра для истребителя:

разворота в плоскости симметрии на 360° («чакра Фролова»); форсированного (за время, меньшее 10 секунд) боевого разворота; поворота на вертикали; «кобры» с углами атаки 150-180°; переворота на «колоколе»; переворота с потерей высоты до 300-400 м.

Например, при выполнении «кобры» Су-37 выходит на угол атаки более 150° и находится в этом положении 3-4 секунды, после чего занимает заданное лётчиком положение, максимально выгодное в ходе воздушного боя. Сверхманевренность Су-37 обеспечивает ему превосходство в ближнем воздушном бою над противником, не обладающим такими возможностями. По сравнению со своими предшественниками Су-37 обладает:

лучшими лётно-тактическими характеристиками; возможностью нанесения упреждающего удара по любому воздушному противнику, в том числе «малозаметному»; многоканальностью и алгоритмической защищённостью всех информационных и прицельных систем; возможностью атаки наземных целей без входа в зону ПВО противника; возможностью выполнения маловысотного полёта; возможностью выполнения автоматизированных действий в группе по воздушным и наземным целям; наличием средств для противодействия радиоэлектронным и оптико-электронным средствам противника; возможностью автоматизации всех этапов и режимов полета и боевого применения.

Меньшая (по сравнению с Су-27) дальность полёта без дозаправки в воздухе (3880 км) связана с применением на Су-37 нового многофункционального бортового комплекса управления вооружением, интегральной системы управления полётом с автоматически отклоняемым вектором тяги силовой установки и нового бортового комплекса постановки радиоэлектронных и оптических помех.
В 1997 году опытный Су-37 планировалось продемонстрировать на международном авиасалоне в Ле Бурже. Однако путь этой машины в Париж оказался трудным. В связи с интенсивными лётными испытаниями, а также определёнными бюрократическими проволочками разрешение на её демонстрацию на авиасалоне получено не было. Герой России, лётчик-испытатель Евгений Фролов, прибывший в Париж гражданским авиалайнером, готов был обращаться к кому угодно, только бы получить заветное разрешение на участие Су-37 в выставке. Но, как выяснилось, достаточно было обратиться к руководителю российской делегации, заместителю Председателя правительства, министру экономики России Якову Уринсону и послу России во Франции Юрию Рыжову для того, чтобы вопрос решили положительно. Именно благодаря им удалось на самом высоком уровне получить «добро» и буквально за сутки оформить все необходимые документы на вылет Су-37.
В Париж машина с уже белым бортовым номером «711» и чёрным выставочным (регистрационным) номером «344» прилетела на шестой день салона (19 июня). В связи с прибытием Су-37 многие делегации отложили отъезд из Ле-Бурже. Три первых полёта Фролова прошли нормально, а в четвёртом не убралось шасси. Пилот не растерялся, выполнил короткий пилотаж с «коброй» при выпущенном шасси и совершил посадку. Как выяснилось после полёта, ручка крана аварийного выпуска находилась не в нужном положении. После устранения причины происшествия лётчик снова взлетел и выполнил полную программу.
С 23 марта 1998 года в столице Чили Сантьяго проводилась 10-я международная авиакосмическая выставка FIDAE'98. На ней самолёт был представлен под обозначением Су-37МР Под этим же названием машина выставлялась и чуть ранее в Дубае.
Также последние работы двенадцати летнего цикла по двигателю пятого поколения АЛ-41Ф. При этом использовались «ноу-хау» самого ОКБ. которые позволили обеспечить:

уплотнение поворотной части сопла; охлаждение поворотной части сопла на режиме полного форсажа и при максимальном угле поворота; устойчивость к помпажу в условиях нестационарности и неравномерности потока на входе в двигатель на режимах сверхманевренности.

Главной особенностью АЛ-31ФП стало применение на нём специального механизма отклонения поворотного сопла, которое, по замыслу конструкторов, должно стать дополнительным органом управления самолётом и ещё более расширить его маневренные возможности. Осесим-метричное поворотное сопло закреплено на кольцевом поворотном устройстве из стали и с помощью двух пар гидроцилиндров отклоняется в вертикальной плоскости на 15° вверх и вниз. Для снижения массы поворотное устройство из стали, к которому крепится система механизации сопла, будет заменено на титановое. В качестве рабочего тела этой системы на опытных двигателях АЛ-31ФП применяется гидросмесь от бортовой гидравлической системы, но на серийных для повышения живучести самолёта будет использоваться топливная система управления механизацией сопла.
Сложности заключались не столько в создании механизма отклонения, сколько в обеспечении безупречного уплотнения стыка подвижного агрегата с корпусом двигателя, т.к прорыв газов, температура которых достигала 2000°С, а давление — 15 атмосфер, неминуемо привёл бы к пожару на самолёте. Кроме того, конструкторами были успешно решены задачи полной автоматизации управления вектором тяги: у лётчика в кабине не должно быть каких-либо специальных рычагов или переключателей, всё делает бортовая автоматика, построенная на основе цифровых вычислительных машин. Лётчику необходимо лишь отклонять ручку управления самолётом и педали, а ЭВМ сами решат, какие органы управления привести в действие.
«Изюминкой» двигателя стала 150-граммовая монокристалическая лопатка турбины, способная выдерживать очень большие нагрузки и температуры.
АЛ-31ФП мог устойчиво работать на режимах глубокого помпажа воздухозаборника при скорости полёта до М=2. а также в условиях плоского, прямого и перевёрнутого штопора, при выполнении фигур высшего пилотажа в динамическом режиме на отрицательных скоростях полёта до 200 км/ч. При создании АЛ-31ФП был разработан комплекс мероприятий по снижению его инфракрасной заметности на бесфорсажном режиме, который может быть внедрён на серийные двигатели по желанию заказчика. Ресурс АЛ-31ФП до первого ремонта составляет 1000 часов, а поворотного сопла — 250 часов. После завершения полного цикла стендовых испытаний ресурс отклоняемого сопла АЛ-100 будет повышен до 500 часов и после его выработки сопло может быть заменено на новое. Собственный вес двигателя — 1570 кг, тяга на полном форсированном режиме— 12500 кгс, минимальный удельный расход топлива — 0,677 кг/(кгс.ч), удельный вес — 0,115 кг/кгс, длина — 4,99 м, диаметр входа — 0,91 м (по другим данным — 0,932 м). наружный диаметр — 1,28 м. Серийный двигатель может изготавливаться как в обычном, так и в тропическом вариантах.
Создание многоцелевого сверхманевренного Су-37 стало очередным логическим шагом ОКБ Сухого в последовательной реализации программы создания для ВВС России семейства многоцелевых тактических самолётов усовершенствованного четвёртого («4+») и пятого поколений на основе технологий истребителя Су-27. Многие ведущие эксперты полагали, что этот самолёт может стать одним из самых покупаемых в мире. Однако в настоящее время лётные испытания Т10М-11 (Су-37) практически прекратились, в основном, из-за отсутствия заказчиков на этот одноместный тип истребителя и из-за отдачи предпочтения потенциальными покупателями (в основном Индией и Китаем) двухместному самолёту Су-30МК (в вариантах Су-30МКИ с двигателями с отклоняемым вектором тяги и ПГО и Су-30МКК со штатными двигателями и без ПГО).