2012年3月10日，2002号技术验证机出现于中国某机场一架并进行了低速滑跑测试，照片显示这架歼-20战斗机和2001号停在一起，并进行了一系列露天科研调试。与2001号相比，2002号验证机外形改动较明显。
2012年5月12日，2001号原型机转场，飞往650千米外的阎良试飞院。这意味着歼-20已被空军选中，正转往试飞院进行高级测试。
2012年5月16日下午14时49分，经过一系列地面测试和高速滑跑后，2002号技术验证机首飞成功，并于15时08分安全降落。
2012年8月26日，2002号歼-20进行第11次试飞。
2012年10月20日，第三架技术验证机曝光。机身没有涂上编号，而且空速管也比前两架短了许多。
2012年12月4日，歼-20再度试飞。
2013年7月2日，歼-20再次升空，进行了2次各长达1个小时的试飞，试飞中主弹舱首次挂弹。
2013年7月21日，歼-20再度试飞，并挂载两种新型格斗导弹，包括霹雳-10新型格斗导弹。
2014年3月1日中午12点左右，2011号原型机成功首飞，伴飞的是1架歼-10S战斗机。12点30分左右2011号原型机成功降落。
2014年7月，2012号原型机进行了地面滑跑测试。有网友拍摄到该机成功首飞。
2014年11月20日，2013号原型机在成都飞机制造厂首飞成功，该机是歼-20的第五架原型机，也是改进批次的第三架原型机。
2014年12月19日下午，2015号原型机首次升空试飞。该机是歼-20的第六架原型机，也是01批次的第四架原型机。值得注意的是，相比之前已经完成首飞的歼-20，2015号又有了新的改动，在机尾尾撑处做了削尖处理。
2015年9月18日15时35分，2016号歼-20原型机试飞成功。该机利用透波材料对进气道鼓包、主翼前缘及腹鳍等处进行了重新设计，并延长了发动机舱以增强尾部红外隐身性能。
