殲-20隱形戰鬥機首架技術驗證機於2011年1月11日中午12時50分左右進行首次升空飛行測試，13時08分成功著陸，歷時18分鐘。整個首飛過程在殲-10S戰鬥教練機陪伴下完成 。

繼2011年初的首飛後不到100天，2011年4月17日下午4點25分，殲-20的第二次試飛在四川成都某機場進行，試飛時間持續90分鐘，是首次試飛時間的5倍。

2011年5月12日15時30分，殲-20進行了第五次試飛。此次殲-20試飛在空中進行了許多機動動作，包括S型機動，橫滾機動以及大角度轉彎等機動動作。起降的過程中，殲-20側彈倉開啟。

2011年5月14日，2001號技術驗證機再次進行試飛。2011年6月1日和6月3日，殲-20在成都某機場連續三天進行了兩次試飛，表明殲-20的試飛強度在逐漸增大。

2011年9月10日，網友上傳了有史以來最為清晰的試飛視訊，視訊顯示，殲-20兩次起飛分別用時17秒和13秒，第二次使用了部分加力起飛，並且機動效能出色，同時機尾發動機藍色火焰明顯與殲-10等紅色火焰有區別，起飛時機尾部氣浪壓縮劇烈似液態波浪（光線折射所致）。

2011年9月25日，2001號技術驗證機連續進行了三次長時間試飛，當日的試飛創造了殲-20自曝光以來一日多次試飛的新紀錄，據稱殲-20在試飛過程中多次進行了繞八字，低空高速通場後大仰角拉起，開加力小半徑轉彎等高難度飛行動作，展現出強大的低空機動能力。

據環球網國際軍情中心2011年10月13日訊息：網上傳出一組中國產第五代戰鬥機殲-20的最新試飛照片，據照片上顯示，此次試飛殲-20再次收起了起落架，整個過程測試了飛機的整體機動能力。而照片上清晰顯示出了殲-20戰鬥機升空後發動機噴出的藍色火焰。

2011年12月15日，截至此時，殲-20已試飛62次，超過俄羅斯的蘇-57戰鬥機。2012年後殲-20試飛頻率大增，有時一週可以試飛多次。

2012年3月10日，2002號技術驗證機出現於中國某機場一架並進行了低速滑跑測試，照片顯示這架殲-20戰鬥機和2001號停在一起，並進行了一系列露天科研除錯。與2001號相比，2002號驗證機外形改動較明顯。

2012年5月12日，2001號原型機轉場，飛往650千米外的閻良試飛院。這意味著殲-20已被空軍選中，正轉往試飛院進行高階測試。

2012年5月16日下午14時49分，經過一系列地面測試和高速滑跑後，2002號技術驗證機首飛成功，並於15時08分安全降落。

2012年8月26日，2002號殲-20進行第11次試飛。

2012年10月20日，第三架技術驗證機曝光。機身沒有塗上編號，而且空速管也比前兩架短了許多。

2012年12月4日，殲-20再度試飛。

2013年7月2日，殲-20再次升空，進行了2次各長達1個小時的試飛，試飛中主彈艙首次掛彈。

2013年7月21日，殲-20再度試飛，並掛載兩種新型格鬥導彈，包括霹靂-10新型格鬥導彈。

2014年3月1日中午12點左右，2011號原型機成功首飛，伴飛的是1架殲-10S戰鬥機。12點30分左右2011號原型機成功降落。

2014年7月，2012號原型機進行了地面滑跑測試。有網友拍攝到該機成功首飛。

2014年11月20日，2013號原型機在成都飛機制造廠首飛成功，該機是殲-20的第五架原型機，也是改進批次的第三架原型機。

2014年12月19日下午，2015號原型機首次升空試飛。該機是殲-20的第六架原型機，也是01批次的第四架原型機。值得注意的是，相比之前已經完成首飛的殲-20，2015號又有了新的改動，在機尾尾撐處做了削尖處理。

2015年9月18日15時35分，2016號殲-20原型機試飛成功。該機利用透波材料對進氣道鼓包、主翼前緣及腹鰭等處進行了重新設計，並延長了發動機艙以增強尾部紅外隱身效能。

2015年11月24日14時15分，2017號殲-20原型機成功首飛。該機對座艙蓋進行修型且使用了新型鍍膜以減弱座艙空腔結構對雷達的散射。

2015年底網際網路上出現了一架新的殲-20，與以往的殲-20明顯不同的是，這架殲-20還處於只有底漆的“黃皮”狀態，其機身編號也從以往的20XX直接晉升為2101號。

軍事觀察員認為這是殲-20從試飛用原型機進化為試量產型的標誌。意味著殲-20的技術狀態已初步確定。或許殲-20將很快進入部隊服役。

中國軍迷又在網際網路上釋出疑似第二架“量產型”殲-20的照片，飛機編號為2102，仍然採用和2015年年底曝光的2101一樣的黃色塗裝。這似乎進一步佐證了外界有關它們是接近裝備部隊的“小批量生產”型號的猜測。

2016年7月4日，網上出現新的殲20試飛照片，在新的照片中，飛機機身不再刷試飛編號，中國空軍“八一”的標識也變成了灰色。

2016年8月25日，首架量產型殲20交付部隊試用。殲-20也成為世界上第三種交付部隊的第五代戰鬥機。

2016年10月，軍事論壇出現殲-20的試飛照，可以看出，殲-20已換成雙色斑塊迷彩，極可能為量產型的塗裝，並且兩架殲-20一起試飛，顯示試飛工作步入尾聲，而且可能已經到了培訓種子教官飛行員的階段。

2016年11月1日，珠海航展開幕2架殲20突然現身，進行了短短兩分鐘的飛行展示，未落地飛完就走。

2016年底網路上出現掛載4個副油箱試飛的殲-20清晰圖片 。

編號試飛

第00批次，718工程驗證機，即殲-20戰鬥機的驗證機批次。機身編號以200開頭。

2001：技術驗證機，2011年1月11日首飛成功。

2002：技術驗證機，2012年5月16日首飛成功。

2003：靜力實驗機，承擔靜力強度試驗。

2004：技術驗證機，改裝自2002號技術驗證機。

第01批次，即原型機批次，機身編號以201開頭。

2011：原型機，2014年3月1日首飛成功。

2012：原型機，2014年7月26日首飛成功。

2013：原型機，2014年11月29日首飛成功。

2015：原型機，2014年12月19日首飛成功。

2016：原型機，2015年9月18日首飛成功。

2017：原型機，2015年11月24日首飛成功。