苏-33“侧卫D”型舰载战斗机的诞生最早可以追溯到20世纪70年代初期。1973年，苏霍伊设计局刚刚完成了苏-27战斗机（T-10）的初步设计方案，在获知涅瓦设计局的航空母舰总体计划后，成功地劝说其放弃了苏-24K舰载轰炸机，并征得苏联海军司令部的初步同意，着手苏-27舰载型的设计工作。然而，几乎在10年之后，苏联空军和海军的总司令才在1985年2月共同批准通过了苏-27K舰载战斗机的初步概念设计（T-10K），苏霍伊设计局总设计师米哈伊尔·西蒙诺夫亲自领导整个苏-27K研制计划，康斯坦丁·马巴舍夫负责这个项目的具体设计工作。
满足起降要求
由于米格-29K舰载战斗机较小的总体尺寸具有一定竞争优势，西蒙诺夫通过折叠翼面来减少苏-27K水平尺寸，以便航母能停放更多的飞机。为此，苏霍伊设计局还利用一架早期苏-27改装了一个T-10KTM全尺寸样机。
改进后的苏-27K，机翼和水平尾翼都能折叠，从而将翼展从14.7米减少到7.4米。为减少飞机的总长，机头雷达罩和尾部整流罩也可以向上倾斜。这样大大缩小了战斗机的占用空间。这一成功设计使军方在滑跃斜板试验结束后逐渐倾向于选择苏-27K。
苏-27K布局上的另一个显著变化是增加了全动式鸭翼，形成三翼面气动布局。同时，根据需要修改设计了边条翼，改进了电传操纵系统和液压系统。该机通过鸭翼与大边条机翼的相互作用，形成一个可控的有利涡系，能够改善机翼表面的空气流动，从而提高大迎角时后缘襟翼、平尾和方向舵的效率，有助于减小配平阻力，大幅度提高飞机的短距起飞和着陆性能。同时由于增加了一个升力面，三翼面布局在小迎角时的阻力相对增大，超音速状态下影响更加明显，势必会影响最大飞行速度，但对苏-27K的总体作战性能来说影响不会太大。
苏-27K还采用了较大的三段可转动的前缘缝翼，重新设计的折叠外翼段。原来的单片式襟副翼由两个单独控制面所替代，即一个下垂副翼（襟副翼）和一个双开缝后缘襟翼。双开缝襟翼设计分成两个部分，其中一段安装在固定机翼段，另一个安装在折叠机翼段。内侧部分对称偏转起襟翼作用，而外侧部分差动偏转，在低速飞行时起襟副翼作用。
双开缝襟翼是在机翼和原襟翼之间增加一个弯度较大的子翼，将机翼下面压力高的气流通过缝隙，以较大的速度吹到襟翼上表面。这种形式的襟翼能够改善气流分离程度，不仅增大了机翼的弯度，而且相应增大了机翼面积，从而使机翼可以获得更大的升力。苏-27K的设计，有效增加了机翼升力，有助于实现短距起降和低速飞行，使之滑行100米就可从斜板滑跃起飞。
为了满足舰载起飞的要求，苏-27K安装了AL-31F发动机的衍生型AL-31K，推力在关键时刻能增加到133千牛，确保起飞时获得足够大的加速度。同时，K-36D弹射座椅的倾斜角度也有所改变，并增高了脚蹬位置，从而提高了飞行员抗过载能力，使瞬间承受的过载高达8～9g。
为了增大航程，苏-27K在前机身左侧加装了可收放空中受油管，把光学红外传感器移到右侧。它可以在飞行中通过伊-78加油机或苏-24M战斗轰炸机机身下安装的UPAZ标准空中加油吊舱进行空中加油。夜间实施空中加油时，由一组安装在前机身两侧的专用强光灯来照亮受油管和加油锥。
辅助着舰设备
降落到甲板对舰载战斗机来说是最困难的任务之一。接触甲板后，拦阻钩需要准确地接触到一个直径3米的白色圆圈，位于“第比利斯”号航母甲板上的第三根拦阻装置的下方。拦阻区域全长37.5米。4根拦阻索平时铺放在甲板上，间隔12米，在飞机着舰过程中升高200～300毫米。
飞行员通过喷涂在甲板上的白色跑道中心线来识别飞机偏离滑行轨迹的横向位移。这条中心线内装有信号灯，供夜晚和低能见度情况下使用。
着舰过程中最困难的是如何估计垂直面内的进场下滑航线。最后的进场斜度是3.5～4°。甲板降落不可能提供一种类似陆地常规降落时的标准降落拉平，所以任何来自进场斜率的估计偏差都可能导致飞机越过指定的拦阻装置，被迫复飞，或者在斜率超过预先估计的情况下，与航母的尾部碰撞。飞行员将采用一个命名为“月亮”-3（Luna-3）的光学着陆系统（OSP）和一个视频监视系统，后者帮助指挥员向飞行员发出纠正指令。
Luna-3系统是一套专门的定向彩色灯光。当飞机最后进场时，飞行员只能同时看见一束或两束彩色灯光，以此识别飞机的位置与估计垂直面内的滑行轨迹。绿色显示“处于滑行轨迹”，黄色或橙色显示飞机略微偏离预计滑行轨迹，但是飞机仍然能着陆在拦阻区域，只是拦阻钩只能抓住第一、第三或第四根钢索。红色意味着滑行轨迹必须立即纠正，而红灯闪烁时表明必须迅速拉起复飞。
无论如何，舰载机不能保证百分百着舰成功。这一过程总是充满着风险。例如，拦阻钩可能没抓住拦阻装置，或者情况更坏，后者可能被拉断。第二架苏-27K在飞行试验期间，就曾经出现过一次拦阻系统故障。当时由于拦阻钩从甲板上弹起，飞机跳过了全部四根钢索。良好的拦阻设备能够在任何情况下拦住飞机。然而，万一发生故障或者拦阻索没有拦阻到飞机，飞行员仍能控制发动机立刻增大功率或接通加力燃烧室，确保战斗机迅速飞离甲板。这时，发动机需要几秒钟从降落时的慢车状态加速到最大功率，甚至全加力状态。在紧急情况下，这个时间不足以将战斗机加速到离地升空速度。这一过程错综复杂，飞行员在着舰时不得不进行手动操纵，这就是为什么要挑选普加乔夫等经验丰富的飞行员来承担首次着舰任务。
试飞再遇挫折
第一架苏-27K原型机于1987年夏天完成装配，代号T10K-11（机尾号37）。开始，它并未采用可折叠机翼和水平尾翼，也没有采用双开缝襟翼，看起来与陆基型苏-27相差无几，但尾锥已经更改，并装有拦阻钩。普加乔夫任飞行试验的主任工程师。半年后，另一架原型机出厂，设计局代号T10K-2（机尾号39），它的机翼能折叠。1987年12月22日，萨多维尼科夫驾驶T10K-2完成首飞。
1988年夏天，T10K-1在改装了可折叠机翼后，于1988年8月25日再次升空试验。然而，就在9月28日，该机在模拟液压系统的某一功能时出现故障而坠毁。试飞员萨多维尼科夫在事故中脊椎受伤，此后不久离开了人世。
T10K-1坠毁后，普加乔夫驾驶第二架T10K-2继续从事大量飞行试验。在T10K-1坠毁和着舰试验开始之间，该机飞行了大约300架次，其中大多数是在Nitka中心进行。1989年夏末，首架米格-29K原型机（机尾号311）抵达Nitka。两家设计局的飞行员都在积极地为最后的着舰飞行做准备，他们已经通过一个特殊的模拟器来积累更多的着舰经验。
此外，苏霍伊设计局的试飞员还曾经在1988年实施了一项专门的飞行计划，更加积极主动地掌握有关舰载机着舰技术。当时，他们驾驶生产型苏-27，借助于“巴库”号、即现在的“戈尔什科夫”号航母模拟进场降落的飞行，并实现了机轮接触甲板的飞行。在这些试飞工作中，他们还采用了舰上光学助降系统，并尝试评估了一种机载和舰载电子设备之间的电磁兼容能力。
增强火控系统
苏-27K采用了经过改进的全套航空电子设备，新型三通道电传操纵系统可确保自动操纵。专用导航设备综合了一些新系统，保证飞机在海面环境中飞行，并准确地将飞机引导返回到自己的航母编队附近。其中，A-317短距无线电导航和降落系统已经与“电阻”舰载短波无线电导航和降落系统的机载部件成功地交联，可以实现飞机在航母甲板上自动降落。
苏-27K的火控系统进行了有限的升级，命名为SUV-27K（SUV-33）。它能够通过航母指挥和控制设备的支持，来拦截空中目标，并具有针对海面背景的下视模式。其中，N001脉冲多普勒雷达具有良好的下视下射能力，对空中目标的探测距离达100千米，能够对10个海空目标进行搜索和跟踪，并可以对威胁最大的6个目标发起攻击。
苏-27K采用了综合有OLS-27K红外搜索与跟踪设备的新型OEPS-27K光电探测系统。与原来的OPES-27型相比，它主要采用了新软件，具有更好的精度和抗干扰能力，能够探测到50千米内的目标。同时，它可以与机载雷达交换信息，使飞行员及时采取有效的对抗措施，从而大大提高了战斗机作战性能。
当时，苏-27K只有空战能力而没有对地攻击能力。苏-27K在机翼固定段增加了2个用于悬挂空空导弹的外挂点，使外挂点增加到12个。因此，该机可携带多枚空空导弹，包括6枚R-27ER、2枚R-27ET和4枚R-73导弹。根据需要，也可携带一些非制导空地武器。
在早期研制过程中，苏霍伊设计局已着手对苏-27K进行升级，并准备将其命名为苏-27MK或苏-33MK型。
根据计划，这种方案准备采用正在研制的升级型火控系统，用于发射新型RVV-AE空空导弹和空面制导武器。改进后，苏-27K的武器系统将可以选择携带6枚Kh-29T（L）电视/激光制导导弹，Kh-31P（A）被动/主动雷达寻的导弹，2枚Kh-59M电视制导导弹，3枚KAB-1500Kr（L）或6枚KAB-500Kr（L）电视（激光）制导炸弹，甚至能携带一枚“蚊”式重型反舰导弹。
尽管苏-27MK方案最终并未成为现实，但计划中的大多数设计已在随后苏-27KUB的研制过程中得以实现。
1989年10月21日，“第比利斯”号航母首次离开黑海造船厂，前往克里米亚半岛西南岸的港口城市塞瓦斯托波尔，正式开始航母飞行试验计划，目的是评估航母上的飞机驾驶设备性能和航母与战斗机之间的适应性。这意味着，在准备了5年时间后，苏霍伊和米高扬设计局的试飞员都在争取率先实现苏联历史上的常规起降战斗机首次着舰，一场激烈竞争走向了前台。
有意先声夺人
10月27日，随着“第比利斯”号航母上各种机械装置的试验陆续完成，第一架舰载机出现在航母上空。普加乔夫驾驶着T10K-2在1 500米高度绕航母飞行了一圈。随着飞行高度的逐步下降，他以大约30米高度飞过甲板，做出了几个降落航线。不久，米高扬设计局的试飞员阿巴科洛夫也驾驶米格-29K原型机（机尾号311）进入到航母上方空域。
第二天，普加乔夫按照计划飞到航母上空，出人意料地首次下降到了最低飞行高度。苏-27K的主轮接触到了飞行甲板，在甲板上滑行了片刻，立即再次起飞。这一突如其来的举动在航母上引起了躁动，洁净的甲板上立刻出现了两条明显的黑色印记。这超出了预先制定的飞行任务。普加乔夫的这一大胆举动展现了高超的驾驶技艺，同时也表现出为苏霍伊设计局拔得头筹的迫切心情。
随后三天，普加乔夫和阿巴科洛夫继续驾驶原型机在航母上空进行飞行训练。10月31日，苏霍伊设计局的试飞员沃提特塞夫和LII飞行研究院的试飞员克茹特沃夫驾驶一架苏-25UTG双座教练机出现在航母的附近。这架在苏-25攻击机基础上衍生发展的教练机是由苏霍伊设计局高层在1988年主动提出设计的，与攻击型相比，大大减轻了重量并安装了尾钩。当时，由于苏-27K和米格-29K的双座型都还处于早期设计阶段，苏-25UTG可以用于训练舰载机飞行员。
最后，当“第比利斯”号航母在海上停泊了10天后，激动人心的时刻终于到来了。
当天，米高扬设计局将仅剩下20分钟飞行时间的米格-29K停放在萨基附近的机场待命。与此同时，普加乔夫虽然并没有正式接到着舰的命令，但希望随时完成这项任务，而苏-27K的长续航能力也起到了关键作用。他驾驶苏-27K一直在航母附近飞行，并进行雷达和无线电系统的试验。当苏-27K正在空中飞行时，高层部门正式下达了实施甲板着舰的命令。
实现首次着舰
命令传达到航空母舰甲板上时，在航母上亲自坐镇的总设计师西蒙诺夫立即做出着舰的决定。飞行指挥官通过无线电通知普加乔夫，按预期方案实施。普加乔夫接到正式命令后，围绕航母又盘旋了一圈，苏-27K放下拦阻钩。他熟练地驾驶飞机对准了甲板跑道，以完美的下滑轨迹降落，拦阻钩准确无误地抓住了拦阻索。苏-27K在甲板上滑行了大约90米后，稳稳地停下。
这样，1989年11月1日，莫斯科时间下午1点46分，在苏联航空和苏联海军发展史上，首次实现常规起降战斗机在航母上降落。这一瞬间是激动人心的时刻！苏-27K在航母上停稳后，苏霍伊试飞团队中的每一个人都朝着飞机跑去，触摸着飞机，并与普加乔夫紧紧拥抱。几分钟前还空空荡荡的甲板，一下簇拥着数十人，共同庆祝固定翼舰载机首次成功着舰。
在苏-27K着舰90分钟后，阿巴科洛夫也驾驶米格-29K原型机降落在航母甲板上，并在当天驾机利用航母斜板实现了首次滑跃起飞。起飞是从第三起飞位置，即相应于180米长的起飞跑道。这也为米高扬设计局挽回了一些面子。不久后，苏-25UTG也降落在航母飞行甲板上，并在第二天早上首次从斜板起飞。
下面，该轮到普加乔夫驾驶苏-27K从斜板起飞。当时，飞机被指定在第一起飞位置，位于航母的右侧甲板，相应的起飞跑道长105米。然而，当两台发动机加速到起飞功率时，由于加力状态工作时间超过了10秒钟，高温燃气冲击到偏转导向装置的防护板，导致六个冷却板出现分离。为此，起飞不得不推迟。地勤人员将苏-27K牵引到第一和第二起飞位置之间的一个斜板区域，既没有装备拦阻装置，也没有配备喷气流防护板。随后，普加乔夫驾机迅速从斜板起飞。
苏-27K和米格-29K原型机在“第比利斯”号航母上的飞行试验持续到11月10日。在此期间，苏联空军研究院的战斗机试飞员也曾驾驶苏-27掠过飞行甲板来模拟最后的进场着舰技术。飞行试验在11月顺利完成后，航母返回船厂开始安装设备。在飞行试验期间，总共完成了227次飞行和35次着舰，其中包括苏-27K原型机20次着舰。
独当海空重任
早在1989年，加加林飞机厂就制造了一架用于静态试验的苏-27K（01-01号）。1990年初，首架舰载战斗机（T10K-3，02-01号）完成总装，并于2月17日由苏霍伊设计局试飞员沃金舍夫首飞。与首批两架原型机相比，生产型在鸭翼和中央翼之间采用了不同形状的机翼前缘边条，并降低了垂尾高度。
1991年，加加林飞机制造厂已经开始生产首批苏-27K，在一年时间里制造了其余6架：02-02号（T10K-4、机尾号59），02-03号（T10K-5，机尾号69），03-01号（T10K-6，机尾号79），03-02号（T10K-7），03-03号（T10K-8）和03-04号（T10K-9）。这些飞机陆续加入到工厂飞行试验计划中。
1990年5月24日，“第比利斯”号航母的最后工厂测试在黑海上开始，一直持续到9月。12月25日，俄罗斯海军将这艘航母更名为“库兹涅佐夫”号，正式进入俄海军的编制序列。次年3月，苏-27K原型机的国家测试开始在空军研究院克里米亚分部进行，随后转移到停泊在黑海的“库兹涅佐夫”号上。
与此同时，海军舰载战斗机独立团正式成立，在阿帕基泽上校指挥下，飞行员开始接受训练。1991年7月11日，阿帕基泽驾驶首批生产型苏-27K之一的T10K-8号进行飞行训练，由于电传操纵系统故障而坠毁，飞行员安全弹射。根据国家试验计划，完成了80多次飞行，率先训练出阿帕基泽和雅克夫列夫两名飞行员，两人分别于9月26和27日完成了各自的首次着舰。11月20日，普加乔夫驾驶T10K-4在Nitka综合拦阻装置上首次实现自动着陆。然而，由于苏联解体，国家测试的进度逐渐减慢。
苏联解体后，俄罗斯军事预算捉襟见肘，导致新型航母计划暂停。1992年初，在黑海造船厂，“瓦良格”号航母的装配工作被终止，当时该航母的70％已经完成。同年2月份，从1998年11月开始建造的“乌尔亚诺夫斯克”号核动力航母（只完成20％装配）被拆卸。
自1989年历史性地降落在飞行甲板上后，苏-27K已经被命名为苏-33舰载战斗机。
与之命运完全不同的是，俄罗斯空军在1992年终止采购米格-29，以便集中全部经费来保持苏-27的生产，这直接导致米格-29K计划终止。当时只有两架原型机承担非正式的试验，尚未制造一架生产型飞机。米格-29K计划的投资先是逐渐减少，直至最终完全终止。
正式投入服役
苏联解体对俄罗斯舰载战斗机的国家鉴定产生了严重影响。航母不得不重新转移到北方舰队基地。除了T10K-4外，其它飞机都转场到莫斯科。由于失去了克里米亚半岛的试验基地，国家试飞计划遇到很大障碍，一直拖延了近三年，直至1994年底才完成。其间，首批4架苏-33飞到北方舰队谢维尔摩尔斯克（Severomorsk）基地，于1993年4月正式服役。
但直到1994年12月，俄海军才建议装备苏-33，共有24架部署在北方舰队的“库兹涅佐夫”号航母上。然而由于自身存在一些小故障，以及俄海军缺乏必要的经费，苏-33在装备多年后一直未能正式列编。1998年8月31日，俄罗斯总统普京才签署了相关命令，使苏-33正式列入海军的作战编制。
1991年8月18日，苏-27K在莫斯科郊区镇茹科夫斯基首次公开展示，次年2月13日，T10K-6正式为独联体国家的国防部长们进行了表演。同年，苏-27K在库宾卡和莫斯科航展上进行了静态展示。此后，苏-27K又正式参加了历届莫斯科航展。
1995年12月中旬，“库兹涅佐夫”号航母离开地中海开始远洋航行训练。在100多天的航行中，航线长达10 000海里，通过了两个大洋及巴伦支海、挪威海和地中海。“库兹涅佐夫”号配备了13架苏-33、2架苏-25UTG和9架卡-27。在远航期间，苏-33和苏-25UTG在飞行甲板上成功地完成了400多次起降。
可以看出，从初期设计方案到正式列编，苏-33的研制和试飞过程并非一帆风顺，前后花费了十多年的时间，才最终走完了从陆地到海洋的艰辛之路。
演习意外坠海
苏-33正式装备俄海军后，近年来在训练使用中逐渐暴露出了一些问题，在服役期间先后因发动机停止工作和拦阻索断裂出现过两次严重飞行事故。
2001年7月17日，为庆祝海军航空兵成立85周年，俄海军航空兵副司令、俄罗斯英雄阿帕基泽少将驾驶苏-33在普斯科夫地区做飞行表演。在完成一系列特级飞行表演后，飞机开始失控，急剧下降，地面指挥部门向阿帕基泽下达了跳伞的指令，但他仍竭尽全力控制飞机，试图使飞机迫降在机场。苏-33距离跑道还有３千米时，坠毁在一个小山丘附近，阿帕基泽在送往医院途中死亡。据专家分析，坠毁的原因是发动机停止工作。
2005年8月，俄罗斯北方舰队首先开始了在巴伦支海的第一阶段军事演习。4架苏-33在极其恶劣的气象条件下，顺利地降落在“库兹涅佐夫”号甲板上。随后，这些战斗机从甲板上起飞，返回陆上基地。其后，北方舰队继续在北大西洋进行演习，但苏-33在海上训练期间首次出现严重飞行事故。
9月5日，按训练计划，阔纳伊夫驾苏-33准备着舰。当时飞机并未携带武器，拦阻钩顺利抓住了拦阻装置，但钢索突然断裂。飞机没有复飞，而是在甲板上继续滑行。当飞机已经冲出甲板开始下坠时，航母上的飞行指挥员命令飞行员跳伞。
阔纳伊夫落入水中，被卡-27PS直升机救起。根据驾驶条令，苏-33的飞行员在钢索断裂后，应该迅速推油门，紧急复飞。而飞行员的判断迟缓，导致飞机坠入深海中。
由于苏-33装备有包括敌我识别系统在内的秘密特种设备，俄海军参谋部立即开始寻找坠海飞机的准确位置，迫不得已决定用深水炸药炸毁这架沉没于海中的战斗机。炸毁后，“虎”式深水下潜器又下降到深海中，确定战斗机已经被彻底摧毁。
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