Исходная задача заключалась в том, чтобы преодолеть «кризис базирования» — большие длины разбега и пробега, чрезмерные взлетные и посадочные скорости. Для отработки комбинированной силовой установки на базе истребителя Су-15 в 1966 г. была построена летающая лаборатория Су-15ВД (переоборудованный Т-58Д1) с тремя подъемными двигателями РД-36-35 (тяга каждого 2350 кгс) конструкции П.А. Колесова и двумя маршевыми двигателями. Су-15ВД демонстрировался на воздушном параде в Домодедово 9 июля 1967 г. Несколькими днями ранее (2 июля 1967 г.) состоялся первый полет опытного сверхзвукового самолета Т6-1, построенного на опытном заводе ОКБ в Москве и пилотируемого летчиком-испытателем B.C. Ильюшиным.

Т6-1 представлял собой двухместный высокоплан нормальной аэродинамической схемы с тонким треугольным крылом, имеющим излом по передней кромке, цельноповоротным горизонтальным оперением и однокилевым вертикальным оперением. Стреловидность корневых частей крыла была равна 60°. Средняя и хвостовая части фюзеляжа имели прямоугольное сечение, что позволило широко использовать в конструкции крупногабаритные монолитные фрезерованные панели. Кресла экипажа располагались рядом.

Шасси повышенной проходимости обеспечивали базирование на грунтовых аэродромах. Максимальная взлетная масса составляла 26 100 кг. Самолет был оснащен четырьмя подъемными ТРД РД-36-35, установленными в ряд в средней части фюзеляжа, и двумя маршевыми двигателями Р-27Ф2М-300 конструкции С.К. Туманского (2 х 6900/2 х 10 000 кгс), размещенными рядом в хвосте. «Подъемники» имели сверху фюзеляжа два выдвижных воздухозаборника совкового типа — по одному на два двигателя, со створками перепуска на верхних панелях, а снизу фюзеляжа — сопла с поворотными створками. Маршевые двигатели имели плоские боковые воздухозаборники.

ТРДФ Р27Ф2М-300 разработан для МиГ-23 и устанавливался на вариантах МиГ-23С и МиГ-23УБ. В 1968 г. двигатели Р-27Ф2М-300 были заменены на более мощные АЛ-21Ф конструкции А.М. Люльки. Самолет Т6-1 проходил испытания до 1974 г. и совершил более 320 полетов. Однако в последние годы Т6-1 использовался только как летающая лаборатория — ОКБ приняло решение вместо подъемных двигателей использовать на боевой машине крыло изменяемой стреловидности. Т6-1 позднее был передан в музей ВВС в Монино.

Завязка варианта с крылом изменяемой стреловидности (КИС) относится еще к 1965 г. Но тогда этот проект отложили, поскольку его разработка требовала большого объема испытаний в аэродинамических трубах (для ряда углов стреловидности крыла), а весового выигрыша он, по предварительным оценкам, не давал по сравнению с самолетом, оснащенным подъемными двигателями.

Возврат к проекту с КИС был обусловлен несколькими причинами. Во-первых, результаты испытаний Су-15ВД и Т6-1 показали сложность технической эксплуатации и пилотирования самолета со столь большим (5— 6) числом двигателей. Во-вторых, подъемники не обеспечивали многорежимность самолета и не улучшали его маневренные характеристики, а весовую отдачу, как выяснилось, значительно ухудшали. Необходимость же многорежимности, и в частности маловысотности, все более ощущалась военными специалистами, составлявшими требования к новой машине под руководством заместителя главнокомандующего ВВС М.Н.Мишука.

С одной стороны, начавшаяся во Вьетнаме война подтвердила уязвимость высотных машин от существовавших ЗРК: уже в первом в истории ракетном противовоздушном бою, состоявшемся 24 июля 1965 г. северо-восточнее Ханоя, ракетами С-75 были сбиты три американских самолета F-4 «Фантом». С другой стороны, «шестидневная» арабо-израильская война 1967 г. показала, что использование малых высот значительно повышает выживаемость аппаратов: египетские С-75 оказались малоэффективны против израильских машин, прижимавшихся к земле (впрочем, основной причиной этого была скорее слабая подготовка египетских расчетов).

И наконец, в-третьих, в ЦАГИ был проведен большой объем экспериментальных работ, подтвердивших жизнеспособность схемы КИС с разносом шарниров поворота консолей и корневыми на-плывами-дестабилизаторами. На основе цаговских исследований были построены истребитель-бомбардировщик Су-17 (первый полет 2 августа 1966 г.) и фронтовой истребитель МиГ-23 (10 июня 1967 г.). Отметим, что фундаментальные работы ЦАГИ по этим и последующим машинам с КИС (Су-24, Ту-22М, Ту-160) были отмечены в 1975 г. Государственной премией.

На выбор «суховцами» крыла изменяемой стреловидности повлиял и американский F-111, испытывавшийся с 1964 г. Развернутая в то время американцами мощная пропагандистская кампания по поводу «революционной» роли этого самолета оказала достаточно большое влияние на руководство Минобороны и Минавиапрома СССР. После ознакомления с F-111 на парижском авиасалоне 1967 г., когда эта машина впервые демонстрировалась за пределами США, мнение о перспективности КИС еще более распространилось в советском руководстве.

Такую оценку не поколебал оказавшийся неудачным первый опыт боевого применения F-111 в начале 1968 г. во Вьетнаме. В результате на ОКБ Сухого «надавили» в пользу установки КИС не только на Су-24, но и на втором экземпляре разрабатывавшегося в те годы стратегического Т-4. Заметим, что позиция руководства имела также воздействие на работы других ОКБ, например по самолету Ту-22М.

Решение о постройке на новосибирском заводе второй опытной машины Т-6 без подъемных двигателей, но с КИС было принято в 1968 г. Она получила обозначение Т6-2И и совершила первый полет 17 января 1970 г. (летчик-испытатель B.C. Ильюшин). Летно-конструкторские и государственные испытания продолжались пять лет с использованием 17 «шестерок» (с Т6-1 по Т6-18, машина с номером Т6-5 не была построена). Под обозначением Су-24 самолет был запущен в серийное производство в 1972 г. в Новосибирске, госиспытания были завершены в августе 1974 г., и первые самолеты поступили на вооружение в конце этого же года.