7 декабря 1962 г. прототип SA.3210 (гражданская регистрация F-ZWWE) на аэродроме Мариньян совершил первый полет. Интересно, что пилотировал «Супер Фрелон» тот же состав экипажа, который впервые поднял в воздух его предшественника. Первый прототип был выполнен в транспортном варианте, предназначавшемся для ВВС. Существенно возросший по сравнению с SE.3200 взлетный вес обусловил необходимость применения гораздо более мощных двигателей — на вертолет установили три ТВД «Турмо NIC» мощностью по 1300 л.с. Герметичная нижняя часть корпуса позволяла осуществить аварийную посадку на воду, хотя полноценной амфибией вертолет не был — это качество приобрела вторая машина (регистрационный номер F-ZWWF), ставшая прототипом для флотской модификации. Этот вертолет, впервые взлетевший 28 мая 1963 г., оборудовали дополнительными поплавками на основных стойках шасси.

Первый прототип SA.3210

Высокие летные данные, продемонстрированные новым вертолетом в ходе испытаний, подтолкнули руководство «Сюд Авиасьон» к попытке побить некоторые мировые рекорды. В мае 1963 г. при содействии известного аэродинамика Марселя Риффара (конструктора знаменитых гоночных «Кодронов») первый прототип начали готовить для рекордных полетов. Очень тщательно отделали поверхность фюзеляжа - даже сняли ручки дверей и заменили слегка выпуклые стекла иллюминаторов плоскими. Демонтировали и колесное шасси, установив вместо него маленькие полозья. Все стыки обшивки заклеили скотчем. Тщательная подготовка дала результат — в июле 1963 г. экипаж в составе Жана Буле и Ролана Коффиньо установил три мировых рекорда скорости, превзойдя достижения американского S-61, продержавшиеся около полутора лет. В частности, 19 июля был установлен рекорд скорости на базе 3 км — 341,23 км/ч (предыдущий рекорд — 320 км/ч), а 23-го установили сразу два рекорда: на базе 15/25 км — 350,47 км/ч (американский рекорд — 320,39 км/ч) и на замкнутой трассе 100 км — 334,28 км/ч (показатель S-61 — 294 км/ч). Тем же летом оба прототипа «Супер Фрелона» демонстрировали на 25-м авиасалоне в Ле-Бурже. Впоследствии обе машины интенсивно использовались в различных испытательных программах. Второй прототип первым из «Супер Фрелонов» испытывался с палубы корабля — вертолетоносца «Жанна д'Арк». Первая же машина завершила свою летную карьеру в 1973 г., когда с её борта осуществляли испытательные пуски авиационного варианта противокорабельной ракеты «Экзосет». 14 марта 1974 г. этот вертолет пополнил экспозицию Аэрокосмического музея в Ле-Бурже. Следом за двумя прототипами построили четыре предсерийных «Супер Фрелона», три из которых выполнили во флотской версии, а один - в сухопутной. Первый предсерийный вертолет (регистрация F-ZWWH), впервые взлетевший 31 января 1964 г., оказался на редкость невезучей машиной. В апреле 1 965 г. он был поврежден при климатических испытаниях в Альпах. После нескольких посадок на ледник вертолет потерял левую стойку шасси. Пока машина кружила над аэродромом Мариньян, вырабатывая остатки горючего, на ВПП подготовили «подушку» из мешков с песком для безопасной посадки. Когда вертолет завис у земли, в машину поднялся опытный испытатель Жан Буле, благополучно посадивший «раненную птицу». Но 30 мая того же года с машиной произошла катастрофа - в полете над заливом Сен-Тропе сломался вал трансмиссии рулевого винта и вертолет рухнул в воду. Командир машины погиб, а четыре других члена экипажа получили тяжелые ранения.

Первый прототип в музее Ле-Бурже