首架飞机以第二批 SU-33 为基础进行修改，在共青城制造组件并在莫斯科装配完成， 1999 年 4 月 29 日 原型机首飞，年底莫斯科航展首次对外公开。
其重要改进特点包括：并列双座、增大翼面积、新材料的应用、使用更多复合材料、装备具有第五代战机特性的航电系统，详情见下文。
机体部分的修改：外型、材料、气动力布局等
在座舱上，考虑到并列双座在起降时有较广的视野，而长时间作战时飞行员间也较易沟通并形成默契，因此 SU-33UB 采用并列双座设计。这是 SU-27IB 家族之后又一种使用并列双座布局的 SU-27 改型飞机。与 SU-32FN 类似，飞行员是经由前起落架舱进入座舱的，可见其座舱空间也不小 ( 因为至少要留个通道 ) 这能提升长时间作战的舒适程度，例如飞行员可以不必全程坐在椅子上，偶尔可以起来休息。内装光电探测系统的球状物就放在座舱正前方，因为是并列双座设计，因此这时光电球不会影响视野。为了保护飞行员，座舱附近也装设金属与陶瓷复合装甲，可见该机颇重视对面攻击。
气动力布局方面， SU-33 的气动力效率、飞行质量是 SU-27 家族中最好的，而 SU-33UB 又青出于蓝更胜于蓝。与 SU-33 相比，翼面积由 67.84 平方米增为 71.38 平方米 (extended area ，就是把机翼前后缘延伸交会后所得的大三角形的面积，通常飞机性能诸元提到的翼面积指的就是这个 ) ；展弦比由 3.44 增为 3.54 ；平尾、前翼也增大。保留了 SU-33 的可偏转 45 度的双缝式后缘襟翼。在前缘襟翼与主翼之间以柔性材料相连，如此一来前翼与主翼间再任何时候都不会有缝隙，减少诱导阻力，使得气动力效率提高；此外，机身部分可能也有自适应材料以提升各种飞行状态之效率，这方面后面再连同材料讨论。这样的改动下， SU-33UB 的气动力特性将比 SU-33 高出不少，其最大升力系数将高于 SU-33 的 2.4(SU-27 是 1.83) ，其升阻比 (lift-drag-ratio) 超过 13 ，是相当高的水平 (SU-27 是 11.8 ，同时代飞机大都在 12 以下 ) 。气动力效率的提升使得与 SU-33 相比，在使用相同燃油的情况下，航程增加 15% 到 20% 。 SU-33UB 仅靠内燃油的航程达 3200km ，与陆基型双座 SU-27( 如 SU-27UB 、 SU-30MKK) 相当。而 SU-33 是 3000km ，这样看似乎很奇怪，按照上面的说法， SU-33UB 的航程应该在 3450km 到 3600km 之间，莫非哪个数据出错了？
