Su-27 jest jednomiejscowym, naddźwiękowym samolotem myśliwskim przechwytującym przeznaczonym do przechwytywania celów powietrznych, zwłaszcza nisko latających, w każdych warunkach atmosferycznych. Samolot jest zbudowany w układzie dwusilnikowego, wolnonośnego średniopłata. Konstrukcja samolotu jest metalowa, przy czym oprócz stopów aluminium szeroko wykorzystano stopy tytanu. W konstrukcji zastosowano także nieliczne elementy kompozytowe. W usterzeniu i spływowej części skrzydła wykorzystano struktury przekładkowe z wypełniaczem komórkowym. Widoczne jest, w porównaniu z dotychczasową praktyką radziecką, rozszerzenie stosowania nowych stopów Al-Li.

Kadłub, o wygiętej osi i zmiennym przekroju, ma konstrukcję półskorupową. Struktura kadłuba wykonana jest zasadniczo ze stopów aluminium, w tylnej części gondoli silnikowych wykorzystano szeroko stopy tytanu. Dziobową część kadłuba stanowi kompozytowa owiewka, za którą znajduje się antena radaru wraz z układem mechanizmu przeszukiwania oraz modułami elektroniki radaru. Dla ułatwienia dostępu do anteny i bloków radaru cały dziób samolotu odchyla się do góry. Na końcu wysięgnika wychodzącego z owiewki zamontowano sondę z czujnikiem ciśnienia dynamicznego. W miejscu przejścia sonda-owiewka radaru znajduje się generator wiru w postaci poziomych skrzydełek. Cała przednia część kadłuba o przekroju owalnym jest pochylona do dołu dla zapewnienia dobrej widoczności z kabiny.
Skrzydła samolotu mają obrys pasmowy, z dodatnim skosem krawędzi natarcia skrzydła podstawowego równym 42° i wzniosem -2,5°, o wydłużeniu około 3,5. Skrzydła są całkowicie metalowe, wykonane ze stopów aluminium, trójdźwigarowe z pomocniczymi dźwigarami przednim i tylnym, do których mocowane są klapy przednie i spływowe (klapolotki) o konstrukcji przekładkowej z wypełniaczem komórkowym. Zasadniczą strukturę skrzydła uzupełniają żebra prostopadłe do płaszczyzny dźwigarów. Mniej więcej w połowie rozpiętości skrzydła oraz w jego końcówce znajdują się dodatkowe żebra równoległe do osi podłużnej samolotu wzmacniające skrzydła w punktach mocowania podwieszeń. W wewnętrznych częściach skrzydeł przestrzeń pomiędzy dźwigarami zasadniczymi wypełniają integralne zbiorniki paliwa z charakterystycznymi podłużnymi wziernikami służącymi do kontroli i wymiany wypełniającej je pianki. Na końcach skrzydeł znajdują się stałe wyrzutnie pocisków rakietowych, będące jednocześnie wysięgnikami wyważającymi (przeciwflatterowymi). Na ich zewnętrznej powierzchni w tylnej części znajdują się światła pozycyjne. Usterzenie o konstrukcji metalowej jest zamontowane na podłużnych belkach, które przylegają z boku do silników, stanowiąc przedłużenie przejścia skrzydło-kadłub. Oba usterzenia mają obrysy trapezowe o dużych dodatnich skosach. Powierzchnie sterowe są poruszane siłownikami hydraulicznymi. Usterzenie pionowe, o dużych statecznikach i niewielkich powierzchniach sterowych jest zdwojone. Dla zachowania reguły pól zostało umieszczone pomiędzy skrzydłem a usterzeniem poziomym. Zespoły usterzenia pionowego są równoległe do siebie, a ich przedłużeniem są dwie płyty ustateczniające w dolnej części. Stateczniki pionowe dwudźwigarowe o dźwigarach mocowanych do wręg zaskrzydłowych, pokrycie kesonu stateczników oraz część noskowa i spływowa mają konstrukcję przekładkową z wypełniaczem komórkowym. W górnej części stateczników pionowych na krawędzi spływu zamontowane są światła pozycyjne. U nasady obu stateczników pionowych znajdują się chwyty powietrza dla układu chłodzenia wyposażenia pokładowego.

Usterzenie o konstrukcji metalowej jest zamontowane na podłużnych belkach, które przylegają z boku do silników, stanowiąc przedłużenie przejścia skrzydło-kadłub. Oba usterzenia mają obrysy trapezowe o dużych dodatnich skosach. Powierzchnie sterowe są poruszane siłownikami hydraulicznymi. Usterzenie pionowe, o dużych statecznikach i niewielkich powierzchniach sterowych jest zdwojone. Dla zachowania reguły pól zostało umieszczone pomiędzy skrzydłem a usterzeniem poziomym. Zespoły usterzenia pionowego są równoległe do siebie, a ich przedłużeniem są dwie płyty ustateczniające w dolnej części. Stateczniki pionowe dwudźwigarowe o dźwigarach mocowanych do wręg zaskrzydłowych, pokrycie kesonu stateczników oraz część noskowa i spływowa mają konstrukcję przekładkową z wypełniaczem komórkowym. W górnej części stateczników pionowych na krawędzi spływu zamontowane są światła pozycyjne. U nasady obu stateczników pionowych znajdują się chwyty powietrza dla układu chłodzenia wyposażenia pokładowego.

Usterzenie poziome płytowe, o działaniu różnicowym zastępującym równocześnie lotki (tzw. sterolotki). Maksymalne kąty wychylenia usterzenia 16° do góry i 21° do dołu.
Silniki dwuprzepływowe Lulka AL-31F zaprojektowane w przedsiębiorstwie badawczo-produkcyjnym Saturn, którym kieruje generalny konstruktor Wiktor Michajłowicz Czepkin. Silniki produkowane są w przedsiębiorstwie Saljut (oba przedsiębiorstwa powstały w wyniku podziału OKB Archipa Michajłowicza Liulki). Silniki o ciągu po 85.3 kN (z dopalaniem po 122,63kN ) I stopniu dwuprzepływowości 1,2. Wlot ma 23 ruchome kierownice. Czterostopniowa sprężarka niskiego ciśnienia i dziewięciostopniowa sprężarka wysokiego ciśnienia o sprężu równym 20, napędzane są trzystopniową turbiną. Komora spalania pierścieniowa z 24 wtryskiwaczami. Elementy sprężarki wykonane są ze stopów tytanu i stali. Zużycie paliwa wynosi 18,98 mg/N/s. Paliwem jest nafta lotnicza typu T-1, TS-1 i RT. Do smarowania silnika i agregatów silnikowych służy olej silnikowy IPM-10. Podwozie trójpodporowe z kołem przednim, chowane. Wszystkie golenie mają amortyzatory olejowo-powietrzne. Rozstaw osi podwozia wynosi 5,88m, a rozstaw kół podwozia głównego 4,33m.