В 1971 году постройка самолета "101" была завершена, и 30 декабря он был перевезен из сборочного цеха ОКБ-51 на летно-испытательную базу ЛИИ имени Громова в подмосковном Жуковском. Сначала состоялись обязательные рулежки и пробеги, а 22 августа 1972 года шеф-пилот ОКБ-51 Владимир Ильюшин поднял самолет "101" в воздух. Первый полет продолжался 40 минут.

В девятом испытании, состоявшемся 6 августа 1973 года, машина преодолела звуковой барьер на высоте 12 км. Летные проверки этапа прошли хорошо. В отчете об их проведении, подписанном Ильюшиным, сказано: "Самолет на рулении прост и хорошо управляем, на взлете устойчив и не имеет тенденции к самопроизвольному рысканью или подъему носа. Очень хорош обзор с опущенной головной частью фюзеляжа. Он значительно облегчает выполнение руления, взлета и посадки самолета. Взлетный угол выдерживается просто, отрыв самолета происходит плавно. После подъема носовой части фюзеляжа полет происходит по приборам. Установленный на самолете перископ дает хороший обзор вперед. Набор высоты прост и не требует от летчика повышенного внимания. В горизонтальном полете самолет управляется хорошо. Разгон и проход скорости звука спокоен. Момент прохода отмечается только по приборам. Заданный режим легко выдерживается элевонами и передним горизонтальным оперением. Интенсивность разгона достаточно хорошая. Заход на посадку и сама посадка просты. Наличие автомата управления тягой полностью освобождает летчика от работы двигателями на режиме захода на посадку. Самолет касается земли плавно, без тенденции к "козлению" или самопроизвольному опусканию носа, на пробеге самолет устойчив и хорошо управляем. Тормозные парашюты и тормозная система, система колес эффективны".

Казалось, у "Сотки" безоблачное будущее. В заявке ВВС на пятилетку (1975–1980 годы) предусматривалось построить на Казанском авиазаводе 250 бомбардировщиков-ракетоносцев "Т-4".

Огромные возможности, которые давала удивительная машина, способная летать на скорости, в три раза превышающей скорость звука, и на высоте до 24 км, заставляли конструкторов думать о самых экзотических вариантах ее применения. Один из проектов, стартовавший в начале 1973 года, предусматривал создание на базе "Сотки" авиационно-космического разгонного комплекса для перехвата спутников. Первоначально предполагалось разместить ракету с перехватчиком на пилоне под фюзеляжем, однако дальнейший анализ привел к появлению в 1974 году новой компоновки с верхним размещением ракеты в специальных ложементах и "горячим" разделением ракетной системы и самолета-носителя на предельной скорости. Исследовательские работы (в частности, продувки моделей) по этой теме продолжались до 1978 года.

Однако программу "Т-4", несмотря на радужные перспективы, ожидал крах. На изменение отношения к "Сотке" во многом повлияла позиция знаменитого авиаконструктора Андрея Туполева, который ревниво следил за успехами Павла Сухого. Дело в том, что Тушинский машиностроительный завод, на котором строились опытные машины "Т-4", не мог обеспечить их серийное производство, поэтому было решено передать заказ Казанскому авиазаводу, который традиционно принадлежал группе Туполева. Тот, со своей стороны, прекрасно понимал, что машина Сухого в течение нескольких лет вытеснит его бомбардировщики, и убедил министра, что, пока дело дойдет до серийного производства "Т-4", он сам за пару лет сумеет модернизировать свой самолет "Ту-22" до требуемых характеристик.