Долгое время на вооружении советских авианосцах были лишь самолеты вертикального взлета и посадки Як-38 и его модификации. Этот неплохой для своего класса самолет не мог соперничать с "обычными" самолетами, стартующими с авианосцев с помощью паровой катапульты. Чтобы преодолеть отставание в этой области, в ОКБ Сухого начиная с середины семидесятых годов велись работы по теме корабельного самолета на базе Су-27. Планировалось создание самолета, оснащенного базовым комплексом БРЭО и доработанного для выполнения катапультного взлета и посадки на аэрофинишеры. Параллельно осуществлялись работы по корабельному варианту штурмовика Су-25. В 1978 году был выполнен технический проект по Су-27КИ, но работы приостановили из-за переноса сроков по авианесущему кораблю проекта 1153. К теме вновь вернулись только в начале восьмидесятых.

Поскольку при разработке стартовой катапульты конструкторы столкнулись с рядом технических трудностей, в качестве альтернативного варианта взлета с палубы рассматривался трамплин. Летным исследованиям предшествовала отработка методики взлета с трамплина на стендах-тренажерах ОКБ Сухого. Работы на комплексе для наземной отработки взлета и посадки самолетов на палубу корабля НИТКА начались летом 1982 года. Исследования показали, что трамплин позволяет обеспечить взлет боевых самолетов с корабля без применения катапульты. При стартовой массе самолета 18000кг и длине разбега 148м обеспечивалась скорость схода с трамплина 178км/ч.

Модернизированный для корабельного базирования самолет получил название Су-27К. На нем было усилено шасси, установлены посадочный гак и флаперон увеличенной площади, а также изменен наклон спинки кресла пилота, установлен комплект бортовой аппаратуры и приемная антенна радиотехнической системы "Резистор", обеспечивающей заход на посадку на блок аэрофинишеров по радиолучу днем и ночью в любых метеоусловиях. Кроме того, предусматривалась установка системы дозаправки топливом в воздухе.

В ноябре 1984 года опытный Су-27К был потерян из-за отказа управления рулем направления. Садовников был вынужден катапультироваться из перевернутого положения на высоте около 1000м.

На второй опытный экземпляр впервые было установлено ПГО, для чего была доработана наплывная часть центроплана. Хотя этот самолет тоже был потерян в аварии, результаты испытаний показали, что установка ПГО позволяет повысить несущие свойства самолета и впоследствии ПГО было применено на многих модификациях Су-27. Новое ЭСДУ обеспечивает автоматическое управление по всем трем каналам, в отличие от одного на Су-27. Появление системы дозаправки с убираемой штангой по левому борту потребовало сместить оптический блок ОЛЛС от оси симметрии вправо.

Летом 1988 года доработке подверглись крылья. В дополнение к отклоняемому носку, механизации подверглась вся задняя кромка: флапероны сместили к законцовкам, а большую часть размаха заняли закрылки. Размах сложенных крыльев уменьшился, кроме того, складным сделали и стабилизатор.

В сентябре 1988 года при полете с имитацией отказа одной из гидросистем, произошла авария еще одного самолета при полете с имитаций отказа гидросистем. Осенью 1989 года началась подготовка к посадке на палубу, а 1 ноября Пугачев совершил первую в истории отечественного флота и авиации посадку на корабль "по-самолетному". После этого события самолету было дано обозначение Су-33.

С марта 1991 года официально начались государственные испытания, но в связи с потерей освоенной испытательной базы в Крыму госиспытания завершились лишь в конце 1994 года. К моменту окончания госиспытаний Су-33 в строю находились уже 24 боевые машины, а в 1998 году палубный истребитель Су-33 был принят на вооружение авиации ВМФ.

Су-33 способен уничтожать противолодочные самолёты противника в районах развёртывания боевых действий подводных лодок, самолёты-разведчики и самолёты дальнего радиолокационного обнаружения, крылатые ракеты, беспилотные летательные аппараты палубного и берегового базирования, вести воздушную техническую разведку и осуществлять постановку морских мин.

Су-33 оснащен системой управления вооружением с усовершенствованной импульсно-доплеровской БРЛС, обеспечивающей поиск и сопровождение воздушных целей на фоне земли или воды. Обеспечивается сопровождение на проходе до 10 целей и одновременный пуск ракет по нескольким целям. Как и Су-27, палубный истребитель имеет оптоэлектронный локатор, скомплексированный с нашлемной системой целеуказания.

Пушечное вооружение представлено встроенной 30-мм пушкой ГШ-301, установленной в наплыве крыла с правой стороны. На самолете может быть подвешено до 8 управляемых ракет "воздух-воздух" средней дальности типа Р-27 с полуактивными радиолокационными (Р-27Р) или тепловыми (Р-27Т) головками самонаведения и до 6 управляемых ракет ближнего маневренного боя с тепловыми головками самонаведения типа Р-73. Типовой вариант вооружения самолета состоит из 8 ракет Р-27Э и 4 ракет Р-73. Имеется возможность использования на самолете тяжелой управляемой противокорабельной ракеты "Москит", размещаемой на катапультном устройстве под фюзеляжем между гондолами двигателей. Максимальная масса боевой нагрузки самолета составляет 6500кг.