В декабре 1956 г. специальным постановлением Правительства был введен институт Генеральных конструкторов авиатехники. П.О. Сухой стал Генеральным конструктором ОКБ-51; главными конструкторами в ОКБ стали Е.С. Фельснер и И.Г. Зырин (с 1959 г.).
Су-7Б
Су-9
Су-11
Т-58ВД – Су-15 с дополнительными подъемными двигателями
Испытания самолетов Су-7 и Су-9 проводились в период 1956-1960 гг. На базе истребителя Су-7 в дальнейшем спроектировали и построили принципиально новый специализированный тип самолета – истребитель-бомбардировщик Су-7Б, ориентированный для поддержки наземных войск. Су-9, вооруженный управляемыми ракетами «воздух-воздух», послужил основой для создания первого в СССР автоматизированного авиационного комплекса перехвата. На базе этого самолета был создан учебно-боевой вариант, а в период 1959-1961 гг. спроектирован и прошел испытания новый перехватчик, Су-11, оснащенный более мощным комплексом вооружения и оборудования. В дальнейшем все вышеупомянутые самолеты поступили на вооружение. Самолеты Су-7Б и Су-9 выпускались крупной серией на заводах №126 в Комсомольске-на-Амуре и №153 в Новосибирске. Было выпущено более 1000 Су-9 и более 100 перехватчиков типа Су-11; более 1800 самолетов типа Су-7, из них 690 было поставлено на экспорт в 9 стран мира.
Кроме работ по основной тематике, в конце 1950-х гг., в рамках научно-технического задела, в ОКБ проводились и работы по созданию нескольких типов экспериментальных самолетов.
Т-4 («100»)
К их числу относятся: перехватчик П-1 (первый в СССР самолет подобного класса, оснащенный боковыми управляемыми воздухозаборниками), истребитель- перехватчик Т-37, рассчитанный на скорость полета до 3000 км/ч, а также опытные машины С-23, С-25, С-26, Т-5, Т-49, предназначавшиеся для отработки отдельных элементов конструкции и систем самолета (воздухозаборник, лыжное шасси, система сдува пограничного слоя и др.). К сожалению, строившийся Т-37 так и не был завершен производством.
С 1960 г. в ОКБ начались работы по модернизации комплекса перехвата на базе Су-11 с обеспечением перехвата воздушных целей в переднюю полусферу. Конечным результатом этой работы стало создание к 1962 г. опытного образца истребителя-перехватчика Су-15. В дальнейшем, в период 1967- 1976 гг. в ОКБ разработали и создали еще 3 модификации исходного базового самолета и 2 учебных модификации. Все варианты Су-15 успешно завершили госиспытания и были приняты на вооружение. Серийное производство всех модификаций Су-15 осуществлялось на заводе в Новосибирске в период с 1966 г. по 1980 г., всего выпущено более 1400 самолетов.
В 1966 г. завод №51 переименовывается в Московский машиностроительный завод (ММЗ) «Кулон». К этому же периоду относится изменение в проектной политике руководства ОКБ: начиная с середины 1960-х гг., Павел Осипович ввел в практику назначение главных конструкторов по тематике.
Су-15ТМ
В начале 1960-х гг. актуальным вопросом для авиаконструкторов во всем мире было улучшение взлетно-посадочных характеристик самолетов. Работы по самолету, оснащенному крылом изменяемой стреловидности, велись в ОКБ с 1963 г. Опытный экземпляр под обозначением С-22И был построен к лету 1966 г. (первый полет 2 августа 1966 г.). В 1966-1967 гг. самолет успешно прошел испытания, а результаты были столь впечатляющие, что ВВС потребовали выполнить соответствующую модификацию исходного самолета. В результате, с 1967 г. в ОКБ развернулись работы по созданию на базе исходного Су-7Б нового истребителя-бомбардировщика Су-17. Серийное производство самолета осуществлялось на заводе в Комсомольске-на-Амуре с 1969 г. по 1991 г., всего было выпущено более 2800 самолетов, более 1000 из них – для 16 зарубежных стран.
В период 1962-1975 гг. в ОКБ Сухого проводились работы по созданию ударно-разведывательного комплекса Т-4 («100»). Заданием предусматривалась разработка самолета с крейсерской скоростью полета 3000-3200 км/ч, потолком свыше 20000 м и дальностью полета 6000 км. Несмотря на откровенно высказывавшееся недоверие, проект ОКБ Сухого победил в конкурсе, устроенном руководством МАП. Для обеспечения высоких заданных характеристик носителя требовалось решение целого комплекса сложнейших проблем, поэтому эта работа стала для ОКБ своеобразным испытательным полигоном для отработки новых компоновочных, конструктивных и технологических решений. Первый опытный самолет был облетан 22 августа 1972 г. В дальнейшем, в период 1972-1974 гг. успешно прошел 1-й этап заводских испытаний, но с 1976 г. работы по теме Т-4 были закрыты. Даже несмотря на то, что самолет не был запущен в серию, эта работа не прошла для коллектива ОКБ даром: научно-технический задел (перспективные аэродинамические компоновки, снижение потерь на балансировку за счет понижения степени продольной устойчивости, электродистанционная система управления, титановые конструкции и многое другое), полученный при разработке самолета был в дальнейшем с успехом использован при разработке машин нового поколения.
Другой важнейшей темой, разрабатывавшейся в ОКБ в 1960-е гг., стало создание нового ударного самолета. Первоначально, эти работы велись в рамках модернизации Су-7Б за счет придания ему возможностей всепогодности применения. Это требовало создания принципиально новой прицельно-навигационной системы и было поставлено в повестку дня в качестве отдельной, исключительно важной задачи. А для ОКБ очень скоро стало ясно, что осуществить полномасштабную модернизацию исходной машины для заданных целей не удастся. Требовалось создание принципиально нового самолета. Первоначальное задание ВВС предусматривало создание самолета-штурмовика КВП. Схема подобного самолета, оснащенного дополнительными подъемными двигателями прошла экспериментальную отработку: первоначально на летающей лаборатории, созданной на базе Су-15 (Т-58ВД), а в период 1967-1968 гг. и на первом опытном самолете Т6-1. Но как выяснилось в ходе испытаний, реальных перспектив развития данная силовая установка практически не имела и вскоре была свернута в пользу варианта с крылом изменяемой стреловидности. Так на свет появился прототип будущего фронтового бомбардировщика Су-24 (первый полет Т6-2И состоялся 17 января 1970 г.).