Первый опытный самолет модификации, получившей обозначение С-32М2, был изготовлен в июле 1973 года. Нумерация серий "эм-двоек" была начата с единицы, соответственно, первая машина несла номер 01-01. Помимо двух головных машин, завод собрал также планер № 01-03 для прочностных статиспытаний, которые решено было проводить силами серийного завода. После доставки в Москву первого самолета в конце 1973 года начались его заводские испытания. Ведущим инженером по испытаниям "единицы", как и предыдущего С32Ф, был назначен В.А. Жуков. По причине всё тех же неполадок с оборудованием сроки первого полета постоянно приходилось сдвигать, и облет машины, прибывшей в Жуковский в августе, состоялся только под конец года - 20 декабря его выполнил летчик-испытатель B.C. Ильюшин. До конца зимы удалось сделать только четыре вылета по плану заводских испытаний, после чего машину предъявили на Госиспытания. Чтобы наверстать сроки, договорились с военными о совмещении обоих этапов ГСИ, выполняя их заодно с летно-конструкторскими испытаниями и приняв в зачет этапа "А" предварительную отработку оборудования на С-32Ф.

Летом 1974 года к испытательным работам подключили также второй экземпляр С-32М2 № 01-02 и машину серийной постройки № 02-02, облетанную на заводе в июне. На первом самолете, помимо определения летных характеристик, отрабатывали стрелковый прицел АСП-17 и навигационный комплекс КН-23, на втором - поведение на больших углах атаки и прицел ПБК-3-17С, третий самолет использовался для полетов на оценку прочности конструкции и работы силовой установки. Так, самолет № 02-02, облетанный испытателем фирмы А. Комаровым 16 августа 1974 года, уже через неделю подключился к Госиспытаниям, на этапе «Б» которых велась преимущественно оценка целевого оснащения и вооружения машины. Всего за пять дней на этом самолете провели работы со стрельбами реактивными снарядами С-24 и С-25, а также из УБ-32 с подвеской шести блоков и Б-8М с использованием четырех блоков, результаты которых пошли в зачет Госиспытаний.

С-32М2 на испытаниях в Ахтубинске. Самолет несет восемь 500-кг авиабомб ФАБ-500М-62. Фото ОАО «ОКБ П.О. Сухого», публикуется впервые

Чтобы не ставить под угрозу срыва и без того непростую программу, решили до предела сократить работы по системе ракетного управляемого вооружения, ограничившись в этот период только отработкой ракет Х-23 и Х-28, по которым уже имелся хороший задел. Что касается лазерных Х-25 и Х-29Л, то в зачет принимались результаты работ по комплексу Су-17МКГ (о чем чуть позже будет сказано подробнее).

Первый С-32М2 (зав. № 01-01) после окончания испытаний был передан в качестве учебного пособия в Военно-воздушную инженерную академию им. Н.Е. Жуковского

Результатом стало существенное сокращение сроков ГСИ, завершенных по истечении восьми месяцев 9 октября 1974 года с обнадеживающем результатом - боевая эффективность самолета по сравнению с Су-17М заметно возросла, главным образом, за счет расширения состава вооружения и повышения точностных характеристик навигации и применения оружия.. В итоговом акте, однако, отмечалось, что при существенном (почти двукратном) повышении точности навигации добиться выполнения заданных точностных показателей боевого применения не удалось - прежде всего, из-за той же недоведенности прицельного оборудования. Тем не менее, преимущества перед Су-17М были налицо, и машина рекомендовалась к серийной постройке и принятию на вооружение.

Большое количество нового оборудования и вооружения, установленного на опытных С-32М2, потребовало дальнейшей кропотливой отработки. Основной объем испытаний вооружения впоследствии был проведен на самолетах № 02-02, 03-19 и 04-06. В частности, на машине 02-02 с апреля по июнь 1976 года были произведены специальные летные испытания ракет Р-60. В целом, все оговоренные заданием на самолет пункты, включая полный объем программы по ракетному вооружению, были отработаны к середине 1976 года.