Пока ученые и конструкторы боролись с помпажем и повышали надежность двигателя, самолет прошел испытания на штопор. В одном из таких полетов сразу после начала штопорения неожиданно заглох двигатель. Махалин спас С-1, впервые посадив его без двигателя. Следующие полеты показали, что для вывода самолета из нормального и перевернутого штопора достаточно поставить ручки и педали в нейтральное положение, после чего машина без заметного запаздывания через несколько секунд прекращала вращение и переходила в пикирование.

После определения причин, вызывающих помпаж, самолет был доработан установкой в воздухозаборнике подвижного конуса новой конфигурации, чем было достигнуто более равномерное течение воздушного потока в канале ВЗ. Это решение, как выяснилось в дальнейшем, не полностью устранило проблему, но все же позволило рассчитывать на еще большую максимальную скорость полета. Вскоре С-1 достиг скорости в 2170 км/ч (М=2,03) и впервые в СССР превысил «две скорости звука» (следует отметить, что на этот момент официальный мировой рекорд скорости на базе 15-25 км, зарегистрированный FAI, составлял "всего" 1822 км/ч и был установлен 10 марта 1956 года на английском экспериментальном самолете Фейри FD-2). Однако из-за недостатков двигателя, недодававшего тяги (в том числе и из-за оснащения его для борьбы с помпажем лентами перепуска за четвертой и пятой ступенями компрессора), это было скорее исключение, чем правило, поскольку в дальнейшем в большинстве полетов максимальную скорость ограничили числом М=1,83. Тем не менее впечатляющим было беспрецедентное достижение самолетом скоростей, на целых 370 км/ч превышающих заданные!

Под впечатлением достигнутых результатов еще до начала Госиспытаний Постановлением правительства от 11 июня 1956 года предписывалось начать серийный выпуска фронтового истребителя, получившего обозначение Су-7, на авиационном заводе № 126 в Комсомольске-на-Амуре.

Показ машины широкой публике состоялся 24 июня 1956 года, когда в масштабном воздушном параде в Тушино вместе с другими новейшими отечественными машинами приняли участие и два самолета ОКБ П.О. Сухого - С-1 под управлением Н.И. Коровушкина и прототип перехватчика с треугольным крылом Т-3, в кабине которого находился В.Н. Махалин.

Десять месяцев испытаний выявили не только положительные стороны машины. Продолжал давать знать о себе помпаж, двигатель АЛ-7Ф был еще очень сырым и имел мизерный ресурс. Кроме того, расходные характеристики ТРДФ оставляла желать лучшего, объем топливных баков С-1 для него был явно недостаточным. В результате требуемую ТТТ ВВС дальность полета получить не удавалось. В ходе испытаний самолет получил доработанные закрылки, а для предотвращения вибрации изменили конструкцию тормозных щитков.

Эти и другие замечания были учтены при постройке второго опытного экземпляра самолета. Законченный в августе 1956 года С-2 отличался удлиненной на 110 мм носовой частью фюзеляжа и 400 мм вставкой в его средней части. Это позволило установить внизу за кабиной четвертый фюзеляжный топливный бак, в результате чего объем топлива увеличился. Это нововведение было сделано по требованию МАП для увеличения дальности полета при использовании новых марок керосинов (еще одно последствие изучения "Сейбра"), имевших расширенный фракционный состав и, как следствие этого, меньшую плотность. Увеличение веса самолета частично компенсировали, убрав в левой консоли крыла третью пушку и ее патронный рукав в фюзеляже. Теперь артиллерийское вооружение машины состояло из двух НР-30.

В октябре 1956 года В.Н. Махалин поднял С-2 в небо. Машину перегнали во Владимировку, где С-2 участвовал в испытаниях на достижение максимального потолка и уже в первых полетах по этой программе без труда достиг высоты 18000 м. В начале 1957 года после разрешения ОКБ A.M. Люльки на режим повышения в течение 5 минут на 15 градусов температуры газов перед турбиной двигателя, Н.И. Коровушкин достиг потолка в 19100 м, что стало рекордом высоты в СССР. 1 июля для расширения фронта испытаний во Владимировке был создан филиал ЛИС ОКБ-51 МАП.

Самолет С-1 едва не был потерян перед самой его сдачей в ГК НИИ ВВС. Для подтверждения достаточной прочности машины требовалось выполнить несколько полетов с достижением допустимой эксплуатационной перегрузки в 8 единиц. Однако установленный в кабине указатель перегрузки "шалил", и выйти на требуемые значения от полета к полету не удавалось. В конце концов выполнявший программу испытатель Э.В. Елян решил добиться своего: "Дело кончилось тем, что сильно огорченный невыполнением задания (в трех попытках удалось достигнуть лишь 7,5), я едва не достиг разрушающей перегрузки: после расшифровки регистрирующих записей выяснилось, что в этом полете была достигнута перегрузка более 11, что подтверждалось некоторыми элементами конструкции" (предельная перегрузка, которую могла вынести машина, составляла 12, а "обтекаемая" формулировка означала, что у самолета деформировало крыло, оперение и "повело" воздухозаборник).

29 октября 1957 года обе опытные машины были переданы на Государственные совместные испытания (ГСИ). На С-1 испытывали системы самолета и отрабатывали боевое применение, а С-2 служил для снятия летных характеристик самолета. В испытаниях приняли участие летчики-испытатели Н.И. Коровушкин, B.C. Ильюшин, И.Н. Соколов, Л.Н. Фадеев и другие. В декабре испытания были прерваны из-за катастрофы самолета С-1.

23 ноября летчик-испытатель ГК НИИ ВВС п.п-к И.Н. Соколов в своем седьмом полете на этой машине выполнял проверку работы радиодальномера. "Атака" выполнялась по МиГ-19П, который пилотировал С.А. Микоян. Пытаясь посадить и спасти С-1 после "зависания" оборотов двигателя, он приземлился в 300 метрах от начала взлетной полосы. Из-за большой вертикальной скорости снижения (20 м/с) и возникшей при приземлении перегрузки пилот погиб, а самолет был разрушен. В принципе, летчик мог катапультироваться и спастись, но в этом случае самолет упал бы на город Щелково...

В ходе расследования этой катастрофы выяснилось, что вместо радиодальномера И.Н. Соколов отключил автоматику двигателя, управляющую лентами перепуска (тумблеры их АЗСов располагались рядом). Из-за этого при уменьшении оборотов ТРД на все еще большой скорости начался помпаж. Всего С-1 до катастрофы совершил 88 полетов.

В итоговом акте основной причиной прекращения испытаний была названа ненадежная работа АЛ-7Ф, поскольку в ходе расследования катастрофы выяснилось, что ТРДФ остановился из-за помпажного срыва компрессора двигателя. ОКБ A.M. Люльки должно было доработать двигатель, устранив это и ряд других замечаний. Первые экземпляры усовершенствованного АЛ-7Ф вскоре были испытаны на С-2 летчиком-испытателем Л.Н. Фадеевым.

А тем временем в далеком Комсомольске-на-Амуре уже собирали первые серийные самолеты.