Самолет в таком виде не мог служить образцом для серийного производства, тем не менее его решили принять для испытаний фотооборудования, начатых 21 сентября 1957 года. В ходе специальных испытаний на первой машине 23 сентября летчик-испытатель В. С. Серегин (штурман А. М. Богачев) при наборе высоты допустил ошибку, превысив максимально допустимую вертикальную скорость, и подошел близко к установленному ограничению приборной скорости 900 км/ч. На скорости 880 км/ч началась валежка. При парировании крена летчик не наблюдал за скоростью. Это привело к дальнейшему ее увеличению, и при 940 км/ч дал знать о себе реверс элеронов.

Борьба с креном сопровождалась продольной раскачкой машины, при которой была превышена десятикратная перегрузка, что привело к деформации элементов конструкции планера.

Государственные испытания Як-27Р прекратили, выполнив четыре полета. Но этого оказалось достаточно, чтобы выявить пониженную резкость изображения при съемке неподвижным АФА-34/ОК, а при качании АКАФУ изображение и вовсе было плохим. В итоге ЦАГИ и ОКБ-115 в ноябре 1957 года решили первый опытный Як-27Р после замены крыла использовать только для испытания фотооборудования, ограничив эксплуатационную перегрузку пятикратным значением вместо ранее установленной шестикратной.

На втором самолете (эталоне завода № 115) № 02 доработали часть крыла между лонжеронами, заменив между корневой и 21-й нервюрами дюралевую обшивку стальной толщиной 4 мм. Установили также жесткие законцовки, увеличившие размах крыла на 0,7 метра, и более тяжелые противофлаттерные грузы.

13 апреля 1958 года Як-27Р в третий раз предъявили на государственные испытания. В контрольно-приемочном полете на воздушное фотографирование вновь дала о себе знать плохая резкость негативов. Для выяснения причин этого выполнили семь полетов, но все повторилось. Самолет на государственные испытания не приняли и в этот раз, но решили провести специальные испытания, проходившие с 14 июня по 9 июля 1958 года. В итоге заказчик пришел к выводу, что «опытный самолет-разведчик Як-27Р № 01 <…> не может обеспечить выполнение всех возложенных на него задач…»

Як-27Р в ангаре Монинского музея ВВС

В том же году рассматривался вопрос об установке на Як-27Р телевизионной аппаратуры ближней разведки «Калий», но от этой идеи быстро отказались, сделав ставку на оборудование «Буревестник» аналогичного назначения.

Государственные испытания Як-27Р проходили с 8 августа 1958-го по 11 февраля 1959 года на опытном самолете № 02.

Ведущими на этом этапе испытаний были инженер О. Н. Ямщикова, летчики П. Н. Белясник и П. Ф. Кабрелев, штурманы В. И. Волков и И. П. Сбоев. Летчики облета – Б. М. Адрианов и С. А. Микоян.

В состав оборудования самолета входили: радиостанции УКВ – РСИУ-4В, КВ – 11РСБ-70 с приемником УС-9ДМ, радиокомпас АРК-5, «Сирена-2», ответчик СРО-2, маркерный радиоприемник МРП-56Л, радиовысотомер РВ-У, артиллерийская радиостанция Р-108. Вооружение включало пушку НР-23 с боезапасом 50 патронов и коллиматорный прицел ПКИ. В блистере у штурмана находился прицел-визир ПВ-2, предназначенный для корректировки артиллерийского огня. Аэрофотоаппараты АФА-42/100, 70 и АФА-42/50 крепились на качающейся установке АКАФУ-33М.