Во время работ по модернизации двухместного варианта Су-27 рассматривалась возможность создания на его базе истребителя-бомбардировщика (Су-27ИБ, обозначение в ОКБ - Т-10В). Специфика применения выдвигала к такому самолету ряд требований: защита экипажа и наиболее важных систем и агрегатов от поражения огнем противника, большая продолжительность полета, возможность базирования на аэродромах, максимально приближенных к линии боевого соприкосновения, широкая номенклатура применяемого оружия и т.д. При этом пилотажные характеристики должны были остаться близкими к исходному истребителю. При тандемном расположении пилота и штурмана-оператора было сложно обеспечить им комфортное пребывание в кабине во время многочасового полета. Оставался открытым и вопрос о размещении новых комплекса БРЭО и РЛС. Усадив членов экипажа рядом, аналогично Су-24, удалось решить эти проблемы. Новое расположение кресел позволяет встать между ними в полный рост, чего невозможно сделать даже на Ту-160. Объемы, появившиеся в закабинном пространстве головной части, позволили разместить там необходимое оборудование. Вход в самолет организовали через нишу передней опоры аналогично тяжелым бомбардировщикам, а открытие створок фонаря предусмотрели только в аварийной ситуации. Ограничение максимальной скорости полета позволило установить нерегулируемые воздухозаборники. Увеличение взлетной и посадочной масс повлекло установку нового усиленного шасси со спаркой колес на передней опоре и с тандемной тележкой на основных.
13 апреля 1990 г. летчик-испытатель ОКБ А.А.Иванов поднял первый опытный экземпляр Т-10В-1. Машина сильно отличалась от облика, который должен был иметь серийный самолет. Головная часть фюзеляжа с передней опорой и воздухозаборники полностью соответствовали будущей машине, а весь остальной планер был взят от серийного Су-27УБ. Первый показ зрителям Т-10В-1 состоялся на Мосаэрошоу-92 (летчик-испытатель Е.Г. Ревунов и штурман Е.Л. Донченко). В это время уже шла работа по развертыванию серийного производства нового самолета на Новосибирском авиационном заводе им. В.П. Чкалова (сейчас НАПО). 18 декабря 1993 г. там подняли первый предсерийный самолет, а б января 1994 г. в газете "Известия" появилась статья, где машина называлась фронтовым бомбардировщиком Су-34.
Двухместный цельнометаллический свободнонесущий среднеплан, выполненный по схеме “триплан”, оснащённый дополнительным ПГО, с двумя двигателями и трёхстоечным убираемым шасси, с использованием двухколёсного носового шасси с усиленной стойкой. Подфюзеляжных килей не имеет. Планер самолёта выполнен из алюминиевого-литиевых сплавов с ограниченным применением титана и нержавеющих сталей. Крыло, интегрально сопряжённое с фюзеляжем, трапецивидное и имеет стреловидность по передней кромке 42°. ПГО выполнено цельноповоротным. Стабилизатор - дифференциально отклоняемый. Рабочие места экипажа размещены рядом, одно возле другого, «плечом к плечу», что значительно снижает их утомляемость и улучшает взаимодействие. Экмпаж находится в закрытой гермокабине, оснащённой системой отопления и кондиционирования воздуха. Вход осуществляется через носовую нишу шасси по откидному трапу. Сама кабина выполнена как единая бронекапсула. Броня - титановая. Толщина стенок доходит до 17 мм. Остекление - так же бронированное. 2 катапультных кресла типа К-39ДМ позволяют аварийно покидать неподвижно стоящую машину. Силовая установка состоит из ТРДДФ АЛ-35Ф с тягой на форсаже по 12800 кГ. Самолёт оборудован системой дозаправки топливом в полёте. Встроенное вооружение состоит из 1 30-мм пушки ГШ-301, установленной в правом наплыве крыла. На 8 подкрыльевых и 4 подфюзеляжных пилона подвешивается до 8000 кг боевой нагрузки.
В НЧФ, начинающейся радиопрозрачным обтекателем БРЛС, имеющим эллиптическую форму и острые боковые кромки, оборудована кабина экипажа и ниша уборки передней опоры шасси. В носовой части обтекателя РЛС имеется штанга основного ПВД с антеннами радионавигационного оборудования (на опытных экземплярах на ней установлены также дополнительные датчики углов атаки и сноса). Бронированная двухместная кабина экипажа обеспечивает размещение летчика и штурмана-оператора рядом. Вход в нее осуществляется не традиционно через верхний фонарь (он в процессе эксплуатации открывается только для обслуживания и демонтажа катапультных кресел), а через нишу передней опоры шасси с помощью встроенного трапа. Достаточно просторная кабина позволяет летчику или штурману встать в полный рост (чего нельзы сделать даже в Ту-160), выполнить физические упражнения для восстановления работоспособности. Кабина оборудована термосом, прибором подогрева пищи, аптечкой, ассенизационным устройством. Для надежной защиты экипажа от попадания пуль и снарядов кабина выполнена в виде единой бронекапсулы (впервые такая конструкция была применена на самолете-штурмовике Су-25). НЧФ завершает закабинный отсек, в котором на стеллажах и этажерках размещен основной объем радиоэлектронного оборудования (доступ к нему осуществляется через нишу передней опоры шасси), а также патронный ящик с боекомплектом пушки. Под фюзеляжем по оси симметрии между мотогондолами по схеме тандем установлено два узла подвески вооружения. ХЧФ состоит из двух мотоотсеков двигателей, хвостовых балок и центральной балки. Центральная балка, завершающаяся выступающим назад радиопрозрачным обтекателем большого диаметра, включает в себя задний топливный бак, отсек контейнера тормозных парашютов и отсек радиоэлектронного оборудования.
На каждой консоли крыла имеются узлы установки четырех пилонов (в том числе одного на торце крыла) для подвески вооружения. Вместо крайних пилонов на торцы крыла могут устанавливаться контейнеры с аппаратурой РЭП. В центроплане имеются ниши для уборки основных опор шасси и узлы их крепления. В наплывах крыла размещено радиоэлектронное оборудование, а в правом наплыве находится установка 30-мм одноствольной скорострельной автоматической пушки. В нем выполнены специальные щели и жалюзи для охлаждения пушки, а для защиты обшивки от раскаленных газов при стрельбе в районе среза ствола установлен экран из жаропрочной стали.
Топливная система самолета состоит их четырех баков увеличенного объема (трех - в фюзеляже и центроплане и одного - в консолях крыла), насосов подкачки и перекачки топлива и топливомерно-расходомерной аппаратуры. Возможна установка сбрасываемых ПТБ. На самолете имеется система дозаправки топливом в полете с выпускаемой штангой-топливоприемником в НЧФ перед кабиной и двумя фарами ночной заправки. Дозаправка может осуществляться от самолетов-заправщиков Ил-78 и Су-24, оборудованных УПАЗ.
Средства аварийного покидания самолета и снаряжение экипажа. На самолете установлены унифицированные катапультные кресла К-36ДМ, обеспечивающие аварийное покидание терпящей бедствие машины во всем диапазоне высот и скоростей полета, включая режимы движения самолета по аэродрому. Катапультирование осуществляется вверх через проемы двух сбрасываемых створок фонаря. В распоряжении каждого члена экипажа имеется НАЗ с автоматическим радиомаяком, спасательным надувным плотом, продуктовым запасом, лагерным снаряжением, средствами сигнализации и медикаментами. Снаряжение экипажа состоит из высотно-компенсирующих костюмов или высотных морских спасательных комплектов, защитных шлемов и комплекта кислородного оборудования.
Основное назначение Су-34 - мощные и точные ракетно-бомбовые удары по наземным целям противника в оперативно-тактической глубине. В то же время совершенное радиоэлектронное оборудование и управляемое ракетное оружие класса «воздух-воздух» в сочетании с унаследованными от предшественника - истребителя-перехватчика Су-27 - высокими летными и маневренными характеристиками позволяют весьма эффективно использовать Су-34 и в воздушном бою. Поэтому его можно по праву относить к самолетам многоцелевого назначения. С этой точки зрения, пожалуй, единственным зарубежным аналогом Су-34 является американский тактический истребитель F-15E, поступивший в 1988 году на вооружение ВВС США.
Согласно газете «Сегодня» от 12 января 1995 года, всего до 1998 года предполагалось построить 12-13 подобных машин, на которых должен быть произведен полный объем летно-конструкторских и государственных испытаний, после чего самолет будет запущен в крупносерийное производство и начнет поступать в войска. Автор статьи считает, что к 2005 году Су-34 заменит в бомбардировочных авиаполках фронтовой авиации ВВС России самолеты 3-го поколения Су-24, и как и предшественник, Су-34 станет базовым самолетом для разработки в дальнейшем ряда специальных вариантов - фронтовых авиационных комплексов воздушной разведки и радиоэлектронного противодействия - и составит, наряду с самолетами 4-го поколения МиГ-29, Су-27 и их модификациями, основу отечественных военно-воздушных сил в начале следующего тысячелетия.
Основные отличия самолета Су-34 от самолета Су-27:

• полностью изменена конструкция головной части фюзеляжа, в которой оборудована двухместная кабина экипажа с размещением мест летчика и оператора системы управления вооружением по схеме "рядом"; вход в кабину осуществляется через люк в нише уборки передней опоры шасси; носовой радиопрозрачный обтекатель РЛС имеет эллиптическую форму с острыми боковыми кромками;

• изменены обводы средней и хвостовой частей фюзеляжа, их конструкция усилена и обеспечивает большие внутренние объемы для размещения оборудования и топливных баков увеличенной емкости;

• увеличены диаметр и длина центральной хвостовой балки, в которой размещается РЛС заднего обзора;

• изменена форма наплывов крыла, на которых установлены консоли переднего горизонтального оперения;

• усилена конструкция крыла; под крылом оборудованы две дополнительные точки подвески вооружения;

• сняты подбалочные гребни;

• изменена конструкция и схема уборки передней опоры шасси, ее стойка оснащается спаренными колесами;

• изменена конструкция основных опор шасси, которые выполнены двухколесными с размещением колес по схеме "тандем";

• введена система дозаправки топливом в полете с выпускаемой штангой, установленной слева перед кабиной экипажа.

• воздухозаборники двигателей выполнены нерегулируемыми;

• максимальная взлетная масса увеличена примерно до 45000 кг, внутренний запас топлива возрос примерно до 12000 кг, обеспечено применение 3 подвесных топливных баков большой емкости;

• применен новый комплекс БРЭО, в состав которого входят многофункциональная БРЛС, оптико-электронная обзорно-прицельная система, радиолокатор заднего обзора, аппаратура навигации, радиосвязи, радиоэлектронного противодействия и другие системы. Он обеспечивает решение следующих задач: поиск, обнаружение и распознавание наземных и надводных объектов с выдачей целеуказания и прицеливанием в простых и сложных метеоусловиях; круглосуточное и всепогодное обнаружение, опознавание и определение координат самолетов и ракет противника с выдачей целеуказания системе наведения ракет "воздух-воздух" и в комплекс РЭП; круглосуточное и всепогодное обеспечение совместных групповых действий самолетов; противодействие радиоэлектронным средствам управления оружием систем ПВО, истребителям и ракетам противника; выдачу информации о параметрах полета, работе агрегатов и систем самолета, а также о тактической обстановке на многофункциональные индикаторы летчика и штурмана-оператора.

• в состав управляемого вооружения класса "воздух-воздух" входят 6 ракет Р-27РЭ (ТЭ, Р, Т), 8 ракет РВВ-АЕ, 8 ракет Р-73; типовой вариант вооружения самолета при решении задач "воздух-воздух" вклюсает 6 ракет Р-27Э (или РВВ-АЕ) и 4 ракеты Р-73;

• в номенклатуру вооружения включены управляемые средства поражения наземных целей: 6 ракет общего назначения Х-29Т, Х-29Л, Х-25МЛ, С-25ЛД или корректируемых бомб КАБ-500Кр и КАБ-500Л, 3 ракеты средней дальности Х-59М или корректируемые бомбы КАБ-1500ТК, 6 противокорабельных ракет Х-31А или Х-35У, 6 противорадиолокационных ракет Х-31П и т.п.

• для поражения наземных целей самолет может также оснащаться неуправляемым вооружением общей массой до 8000 кг, размещаемым на 12 точках подвески, часть из которых оборудуется многопозиционными балочными держателями: 3 бомбами калибра 1500 кг, 16 бомбами калибра 500 кг, 36 бомбами калибра 250 кг, 48 бомбами калибра 100 кг, 8 контейнерами КМГУ, 120 ракетами С-8 (в 6 блоках Б-8М1), 30 ракетами С-13 (в 6 блоках Б-13Л) или 6 ракетами С-25.