2012年10月31日歼-31成功首飞。中国成为世界第二个同时试飞两种五代机原型机的国家，此前，只有美国同时研制了两种五代战机。
2013年1月25日下午4点，歼-31第二次试飞。本次试飞长达40分钟左右。歼-31试飞的频率有所加快。从网络图片资料看，该型机长度在16～17米左右，翼展在10米上下，属于典型的双发中型战斗机，机体整体体积介于F-15和MIG-29之间，机翼面积约40平方米。机头、机身呈菱形，双垂直尾翼向外倾斜，垂尾、主翼、平尾后缘前倾，使用带锯齿的起落架舱，属于隐身设计的战斗机。
2016年12月23日，网上出现改进型歼-31首飞成功的画面，这架歼-31与之前在珠海航展亮相过的歼-31有较大不同，网友们给起了个“鹘鹰2.0”的称呼。第二架歼-31原型机改进了空气动力设计以缩减飞机雷达散射截面积，实现更高的隐身性能。改进型机还将装备经过完善的航空电子装备。据提前在2016年12月22日发行的《空军月刊》2017年1月刊中称，这架被称为2.0版歼-31战机鼻部的光学雷达站也发生了改变，不仅如此，在驾驶舱的多功能大显示屏上方还将安装一个小显示屏。与第一架原型机相比较，歼-31将配备国产发动机（据推测是涡扇-13A），加大了武器舱，可以很容易的放下六枚带展翼的SD-10A导弹，各项性能比首飞版本提高很大。
歼31改进版本试飞的照片显示，与2014年第10届中国航展亮相的歼-31相比，该机的改进版本在外形上发生了一些变化，不仅改进了空气动力设计，还加大了武器舱。专家认为，歼-31距离定型还需要较长时间。此次试飞的002号机是歼-31的第二架样机，未来不排除歼-31上航母的可能性。
