W obliczu opóźnień w opracowaniu i produkcji maszyn nowej generacji, dwumiejscowy wielozadaniowy Su-30SM stał się jednym z podstawowych typów samolotów bojowych sił powietrznych Federacji Rosyjskiej. Jego historia sięga końca lat 80. ub. wieku, kiedy powstawał dwumiejscowy myśliwiec przechwytujący dalekiego zasięgu Su-30, który stał się bazą opracowanych w zakładzie w Irkucku modernizacji tzw. rodziny indyjskiej, tj. Su-30K/MK/MKI. Z niej właśnie wyewoluował stworzony na rodzime potrzeby Su-30SM. Flotę tych maszyn w rosyjskim lotnictwie bojowym uzupełniają samoloty Su-30M2, będące mniej zaawansowanym wariantem dwumiejscowym, powstałym w konkurującym zakładzie w Komsomolsku nad Amurem i bazującym na tzw. chińskiej linii rozwojowej, tj. Su-30MK/MKK.
Jeszcze przed rozpoczęciem w czerwcu 1985 roku pierwszych dostaw myśliwców Su-27 (oznaczenie konstrukcyjne T-10S) do jednostek radzieckiego lotnictwa wojskowego jasne było, że samolot dysponuje wysokimi osiągami i dużym potencjałem rozwojowym. Pozwalało to na stworzenie na bazie podstawowej maszyny nowych bojowych wersji specjalistycznych. Już w 1986 roku zaproponowano zbudowanie na bazie „sparki” Su-27UB (T-10U) dwumiejscowej wersji przechwytującej dla Wojsk Obrony Powietrznej ZSRR (Protiwowozdusznaja Oborona, PWO). Na potrzebę opracowania nowego myśliwca wpłynęło kilka czynników, takich jak przestarzałość większości floty myśliwców PWO, pojawienie się nowych zagrożeń, w tym małogabarytowych pocisków manewrujących poruszających się na małych wysokościach, specyficzne warunki operacyjne wschodnich obszarów ówczesnego ZSRR, w tym rzadka sieć baz lotniczych i lotnisk, ale również niedobór samolotów dozoru radiolokacyjnego i powietrznych punktów dowodzenia. Su-27 dysponował dużym promieniem działania i długotrwałością lotu, co umożliwiało wielogodzinne patrolowanie w strefie. Z analiz wynikało jednak, że długotrwałe misje nad rozległymi obszarami pozbawionymi infrastruktury i charakterystycznych punktów odniesienia są dla pilota dużym obciążeniem. Brano również pod uwagę niewystarczający jeszcze stopień automatyzacji systemu nawigacyjno-celowniczego ówczesnych samolotów myśliwskich. Potrzebny był zatem drugi członek załogi w postaci operatora systemu uzbrojenia, który mógłby odciążyć pilota w czasie wielogodzinnej misji, a w czasie walki zająć się zwalczaniem celów pozostających poza zasięgiem wzroku. Wymagano zdublowania elementów sterujących, co miało zapewnić większe bezpieczeństwo podczas długich lotów bojowych, umożliwiając załodze bardziej efektywne działanie – operator mógł bowiem przejąć stery, jeśli pilot był zmęczony czy ranny.
Założeniem dowództwa PWO było ponadto to, aby nowy samolot, wyposażony w dodatkowe urządzenia łączności, będzie mógł pełnić rolę powietrznego punktu dowodzenia dla grupy (klucza) myśliwców, mając jako jedyny włączoną stację radiolokacyjną. Operator systemu uzbrojenia miał dysponować wyświetlaczem sytuacji taktycznej oraz systemem łączności i przesyłu danych telemetrycznych, pozwalając na monitorowanie sytuacji w obszarze odpowiedzialności i kierowanie innymi myśliwcami przechwytującymi operującymi w trybie „pasywnym”. Zbudowanie takiego myśliwca na bazie Su-27UB było możliwe, maszyna szkolno-bojowa zachowała bowiem kompletny system uzbrojenia (Sistiema Uprawlenija Woorużenijem, SUW) SUW-27 ze stacją radiolokacyjną N001 Miecz (izdielje Sz101), systemem identyfikacji swój-obcy Parol i stacją optoelektroniczną OEPS-27/OŁS-27 (izdielje 36Sz).
Wymagania taktyczno-techniczne dla nowego dwumiejscowego myśliwca przechwytującego zostały uzgodnione na początku 1987 roku z projektantami myśliwca z biura doświadczalno-konstrukcyjnego (Opytno-konstruktorskoje biuro, OKB) im. P.O. Suchoja, które mieściło się w Moskiewskim Zakładzie Produkcji Maszyn im. P.O. Suchoja (Moskowskij Maszynosrtoitielnyj Zawod imieni P.O. Suchowo, MMZ). W maju tego roku wydano wspólną decyzję Ministerstwa Przemysłu Lotniczego (Ministierstwo Awiacjonnoj Promyszlennosti, MAP), dowództwa Sił Powietrznych (Wojenno-Wozdusznyje Siły, WWS) i dowództwa PWO w sprawie organizacji prac nad zwiększeniem zdolności bojowych samolotu Su-27UB podczas walk grupowych i zadań obrony powietrznej. Prace nad samolotem rozpoczęto oficjalnie w lipcu 1987 roku, a w następnym miesiącu dowództwa WWS i PWO zatwierdziły szczegółowe wymagania odnośnie założeń taktyczno-technicznych. W OKB im. Suchoja projekt otrzymał oznaczenie fabryczne T-10PU (punkt uprawlenija; pol. punkt dowodzenia). Samolot oznaczono początkowo Su-27UBP (uczebno-bojewoj pieriechwatczik; pol. szkolno-bojowy przechwytujący), które jednak w jeszcze w tym samym roku zostało zmienione na „właściwe” Su-27PU (oznaczenie Su-27UBP dostał w 1989 roku inny wariant).
Projektowanie T-10PU rozpoczęto we wrześniu 1987 roku. Płatowiec w wersji dwumiejscowej i zespół napędowy pozostały bez zmian. Aby zwiększyć długotrwałość lotu i promień działania samolot otrzymał instalację do tankowania w locie z sondą chowaną w kadłubie, przeniesioną z jednego z prototypów „sparki” Su-27UB (numer fabryczny T-10U-2), który był wykorzystywany w programie myśliwca pokładowego Su-27K (T-10K), czyli późniejszego Su-33. T-10PU wyposażono w typowy, lecz zmodyfikowany SUW-27 z wersji T-10S, stację optoelektroniczną OEPS-27/OŁS-27K (izdielje 46Sz) z myśliwca pokładowego, system łączności i wymiany danych TKS-2-27M/K-DIU, który pozwalał na kierowanie maksymalnie pięcioma czterosamolotowymi kluczami, zmodyfikowany system kontroli uzbrojenia z możliwością użycia środków bojowych przez operatora. Zamontowano również kompleks radionawigacyjny A-723 Kwitok i system nawigacji satelitarnej A-737. System samoobrony i walki elektronicznej obejmował stację ostrzegawczą Ł-006 (SPO-15) Bierioza, stacje zakłócające Ł-005S (SPS-171) Sorbcja oraz wyrzutniki pułapek APP-50. Instalacje przystosowano do długotrwałych lotów, m.in. powiększono zbiorniki w instalacji tlenowej, wprowadzono pojemniki na dodatkowe racje żywnościowe i wodę pitną, a także specjalne pojemniki na mocz.
Do konwersji na prototypy wersji T-10PU przeznaczono dwa prototypy szkolno-bojowych Su-27UB (izdielje 10-4). Wobec obciążenia macierzystego zakładu OKB im. Suchoja, czyli stołecznego MMZ, przebudowa miała być wykonana przez fabrykę, w której powstawały „sparki” – Zakład Nr 39, późniejsze Irkuckie Zjednoczenie Produkcji Lotniczej (Irkutskoje Awiacjonnoje Proizwodstwiennoje Objedinienije, IAPO), a obecnie Irkucki Zakład Lotniczy (Irkutskij Awiacjonnyj Zawod, IAZ) w Irkucku. Przedsiębiorstwo odmówiło jednak realizacji nowego i nietypowego zadania i ostatecznie przebudowy dokonali w Irkucku oddelegowani pracownicy MMZ, a irkucki zakład wykonał nowe elementy płatowca na bazie dokumentacji dostarczonej z OKB im. Suchoja. Z kilkumiesięcznym opóźnieniem w stosunku do harmonogramu dokumentacja techniczna była gotowa w styczniu 1988 roku. Niedługo później do Irkucka przybyły oba Su-27UB przeznaczone do konwersji. Nowy samolot otrzymał kod fabryczny IAPO izdielje 10-4PU. Z kolei w marcu 1988 roku, wraz z ukończeniem projektu technicznego, oficjalne oznaczenie Su-27PU zmieniono na Su-30. Pierwszy z prototypów Su-30, o oznaczeniu fabrycznym T-10PU-5, wykonał swój pierwszy lot w październiku 1988 roku. Drugi, T-10PU-6, oblatano w styczniu następnego roku.
Jeszcze w październiku 1988 roku T-10PU-5 rozpoczął pierwsze loty w ramach programu państwowych prób kwalifikacyjnych. Od razu rozpoczęto także proces weryfikacji dokumentacji i makiety samolotu. W grudniu komisja ds. przeglądu makiety zakończyła pracę, a jej protokół akceptacyjny podpisali przedstawiciele dowództw WWS i PWO w grudniu i styczniu 1989 roku. W lutym rozpoczęto próby kwalifikacyjne, w czasie których wniknęły problemy ze statecznością samolotu podczas tankowania w locie, wymagające modyfikacji systemu sterowania. W ramach fazy A testów wykonano ponad 100 lotów, w tym część długotrwałych (ponad 5 godz.) z tankowaniami w locie. W sierpniu 1989 roku prototyp T-10PU-5 w czasie lotu testowego został po raz pierwszy przechwycony przez zachodnie samoloty (norweskie F-16A) nad północnym Atlantykiem. W czerwcu 1990 roku zakończono fazę A prób państwowych, a w listopadzie rozpoczęto etap B, w którym wykonano również ponad 100 lotów, w większości długodystansowych. Testy, w ramach których wykonano 228 lotów, zakończono oficjalnie w listopadzie 1991 roku z wynikiem pozytywnym. Osiągnięto przy tym zasięg 3600 km w locie na dużej wysokości oraz 5200 km (tj. o 60% więcej niż Su-27) przy jednokrotnym tankowaniu w locie. Maksymalna długotrwałość lotu wynosiła 10 godz. i była ograniczona fizyczną wytrzymałością członków załogi.
Według pierwotnego planu produkcja seryjna Su-30 miała rozpocząć się już w 1990 roku, a pierwsza partia miała liczyć 10 egz. Z uwagi na opóźnienia harmonogramu testowego decyzję MAP o rozpoczęciu produkcji wydano w lutym 1991 roku i wskazano następny rok jako termin oddania pierwszych maszyn użytkownikowi. W ciągu następnych miesięcy w Irkucku nie bez trudności rozpoczęto budowę serii 10 samolotów T-10PU.