Государственные испытания начались в июне 1970 г. и продолжались полтора года. Они велись интенсивно, иногда с участием 16 машин одновременно, и в целом подтвердили расчетные данные. В варианте боевого вертолета, т.е. только с вооружением, без десанта, Ми-24 при нормальной взлетной массе 11 т имел максимальную скорость 320 км/ч и крейсерскую - 270 км/ч, а в транспортном - 340 км/ч и 280 км/ч соответственно. Большой избыток мощности на скоростях 100-200 км/ч обеспечил вертикальную скороподъемность до 16 м/с и разгон с ускорением 3-3,5 м/с². В случае отказа одного из двигателей вертолет мог продолжать полет на другом в течение часа. В условиях МСА статический потолок вне влияния земли составил 1400 м, а практический - 4950 м. Дальность полета - 450 км, перегоночная -1000 км. При скоростях полета 100-250 км/ч обеспечивалась вертикальная перегрузка 1,75g при нормальной взлетной массе. В ходе испытаний Ми-24 был успешно решен ряд проблем прочности и ресурса, приняты меры, направленные на исключение повышенных вибраций. Несмотря на значительное увеличение по сравнению с Ми-8 скоростей полета, уровень вибраций фюзеляжа оказался относительно невысок.

Однако испытатели встретились и с рядом проблем, потребовавших внесения существенных изменений в конструкцию вертолета. На скоростях свыше 200 км/ч с выключенным автопилотом при наличии внешних возмущений Ми-24 был склонен к незатухающим или слабозатухающим колебаниям по курсу и крену (типа «голландский шаг»), что заставляло летчиков постоянно вмешиваться в управление. Для улучшения боковой устойчивости конструкторами было принято решение установить крыло с отрицательным поперечным «V». Выяснилось также, что размещение ПТУР на фюзеляже является неудачным, т.к. при стрельбе НАР существует опасность их соприкосновения. В связи с этим узлы навески ПТУР перенесли на специальные пилоны, установленные на законцовках крыла, которое таким образом получило свой характерный силуэт.

Новое крыло впервые было установлено в конце 1970 г. на двух доработанных на МВЗ прототипах, отличавшихся также удлиненной кабиной экипажа. Последнее решение было вызвано тем, что прежняя кабина оказалась слишком тесной для размещения в ней высокотемпного пулемета и новой прицельной системы «Радуга-Ф», предназначенной для полуавтоматического наведения ПТУР. Однако из-за задержки с доводкой нового вооружения первые серийные Ми-24 строились с комплексами «Фаланга-М» и пулеметом А-12,7. Они поступили в войска под названием Ми-24А.

«Двадцатьчетверки» первой серийной модификации строились в Арсеньеве в течение 5 лет. Всего построили около 250 Ми-24А. Некоторое количество вертолетов было выпущено в учебном варианте Ми-24У, прошедшем испытания в 1972 г. От боевого этот вариант отличался отсутствием носового пулемета, вместо которого в передней кабине летчика-инструктора были установлены полноценный комплекс пилотажно-навигационного оборудования и стандартные рычаги управления. На Ми-24А прошли подготовку летные экипажи и наземный персонал. Приобретенный ими опыт послужил дальнейшему совершенствованию вертолета, повышению его надежности и эффективности.

В период развертывания серийного производства ОКБ продолжало совершенствовать вооружение вертолета. Новая опытная модификация получила название Ми-24Б. От Ми-24 и Ми-24А она отличалась подвижной пулеметной установкой УСПУ-24 с высокотемпным (4000-4500 выстр/мин) пулеметом ЯКБ-12,7 (Якушев - Борзов), управляемой дистанционно с помощью прицельной станции КПС-53АВ. В состав системы подвижного стрелкового вооружения (СПСВ-24) вошел аналоговый вычислитель, сопряженный с системой бортовых датчиков параметров, благодаря чему поправки при стрельбе установка вводила автоматически. Кроме того, на Ми-24Б был установлен противотанковый комплекс «Фаланга-П» с системой наведения «Радуга-Ф». Это повысило вероятность попадания ракет в цель в 3-4 раза. Гиростабилизированный прибор наведения позволил вертолету маневрировать в пределах ±60° по курсу в процессе наведения ракеты на цель, что существенно повысило его боевую эффективность.

Опытные Ми-24Б успешно прошли в 1971-1972 гг. первый этап испытаний, но их доводка была остановлена. Опыт эксплуатации Ми-24А в частях выявил серьезный недостаток - неудовлетворительный обзор из кабины летчика. Устранило его ОКБ в начале 1971 г., спроектировав принципиально новую носовую часть: летчик и оператор размещались в изолированных кабинах тандемно и на разных уровнях (обе кабины имели бронестекла). При этом удалось избавиться от затенения элементами конструкции прибора наблюдения системы «Радуга-Ф» и антенны командной радиолинии управления в секторе +60° по азимуту, что было достигнуто установкой систем по бортам ниже обвода фюзеляжа. Размещавшийся на Ми-24А в кабине патронный ящик был перенесен ниже уровня пола и стал обслуживаться снаружи.

Носовая часть Ми-24Д	Носовая часть Ми-24В
Носовая часть Ми-24П	Носовая часть МИ-24ВП