В начале июня самолет И-135 по железной дороге доставили в Раменское для проведения заводских летных испытаний. 11 июня 1940 года летчик-испытатель А.П. Чернавский проверил поведение самолета на рулении и выполнил скоростные пробежки, а 15 июня впервые поднял машину в воздух.

Первые полеты выполнялись с целью отработки ВМГ (проверка работы ТК-2, подбор маслорадиаторов и др.). 3 августа, при очередном полете на проверку температуры масла произошла авария, А.П. Чернавский по ошибке произвел посадку с убранными шасси. Самолет получил повреждения и был отправлен на завод № 289 для ремонта, в процессе которого заменили мотор, воздушный винт, изготовили новые створки канала водяного радиатора, новую нижнюю часть капота мотора.

Ремонт завершился 9 сентября, а 13 сентября испытания были продолжены летчиком-испытателем П.М. Попельнюшенко. 2 октября, на высоте 6000 м произошло разрушение мотора из-за обрыва шатунов 4-го и 10-го цилиндров. Летчику удалось нормально посадить машину. Новый мотор получили лишь в конце октября. Испытания возобновились 10 ноября. Из-за болезни П.М. Попельнюшенко дальнейшие полеты продолжил летчик-испытатель В.П. Федоров. До конца 1940 года по программе испытаний были выполнены следующие работы:
-   определены взлетно-посадочные характеристиками;
-   сняты балансировочные кривые в горизонтальном полете, при планировании и при наборе высоты;
-   сняты максимальные скорости на высотах до 6000 м (зафиксирована максимальная скорость 580 км/ч на высоте 4000 м);
-   определена скороподъемность до 5000 м;
-   проведено испытание на флаттер и бафтинг в диапазоне скоростей от 150 до 600 км/ч по прибору;
-   произведен отстрел оружия в тире.

В ходе летных испытаний самолет Су-1 показал хорошую продольную и поперечную устойчивость. Взлет и посадка отличались простотой и никаких особенностей не имели. Усилия на ручку и педали — нормальные.

В начале января 1941 года самолет Су-1 перелетел на аэродром завода № 289 для выполнения комплекса доработок. Из-за обгорания лопаток турбин с самолета сняли турбокомпрессоры и отправили в ЦИАМ для ремонта. Для улучшения температурных режимов маслосистемы в центроплане крыла смонтировали два восьмидюймовых маслорадиатора, взамен одного, размещавшегося под мотором М-105, в связи с чем, потребовалась доработка центроплана крыла и капота мотора.

По завершению доработок маслосистемы, из-за отсутствия новых ТК-2, приняли решение продолжить программу летных испытаний без них. В течение февраля на Су-1 были сняты скоростные характеристики по высотам свыше 6000 м и определена скороподъемность. 10 марта самолет перелетел на завод № 289 для установки новых турбокомпрессоров, а уже с 21 апреля 1941 года заводские летные испытания были продолжены.

Второй экземпляр И-135 (заказ 360) достраивали на заводе № 135 под руководством главного конструктора П.Д. Грушина. Из-за отсутствия двигателя М-106 на нем установили М-105. Эта машина, получившая обозначение Су-3, в незаконченном виде 17 января 1941 года прибыла на завод № 289 для покраски, установки винта и доработок по маслорадиаторам, центроплану и капоту. К середине апреля самолет Су-3 был готов к проведению заводских летных испытаний. Однако в связи с выявившейся нецелесообразностью дальнейшие работы по самолетам Су-1 и Су-3 были прекращены совместным постановлением СНК СССР и ЦК ВКП(б) от 16 апреля 1941 года. После выхода постановления самолет Су-1 до начала мая совершил еще несколько полетов, а Су-3 был законсервирован.

Общий вид самолета И-135