14 марта 1963 г. перекрашенный в желтый цвет вертолет передали на Госиспытания (этап «А»), проходившие на базе ГК НИИ ВВС на подмосковном аэродроме Чкаловский. Ведущим летчиком-испытателем назначили М.В. Разомазова, а испытательную бригаду возглавил Н.Г Смалько. Военные испытатели сразу отметили, что новая машина намного прогрессивнее своего предшественника Ми-4. Однако, как у любого «новорожденного» образца техники, недостатков у В-8 еще хватало, и для их устранения полеты периодически приходилось прерывать. Летом испытания и вовсе остановили на два месяца из-за проведения комплекса доработок двигателей и главного редуктора.
В-8А вернули ОКБ и больше в Госиспытаниях не задействовали. На фирме эту машину использовали для испытаний по отдельным программам. Судьба у вертолета оказалась трагичной. 31 января 1966 г. он потерпел катастрофу, причиной которой стало разрушение подшипника втулки рулевого винта. Погиб экипаж в составе Н.В. Лешина, И.Н. Дрындина и Ф.И. Новикова.
Для продолжения ГСИ силами завода № 329 был построен опытный транспортно-десантный вертолет В-8АТ (сер. № 02- 02), в конструкции которого удалось устранить выявленные на то время недостатки. Эта машина стала первой в своем семействе, оснащенной пятилопастным несущим винтом, хотя первые полеты выполняла еще с четырехлопастным. Конструкция нового винта была совершеннее предшественника. В частности, использовались лопасти с новым профилем, а вместо фрикционных демпферов в вертикальных шарнирах применялись гидродемпферы. В-8АТ оснастили и новым хвостовым винтом с металлическими лопастями, а не деревянными, как было ранее.
Значительные изменения коснулись грузовой кабины, вдоль бортов которой установили 20 откидных сидений для перевозки личного состава. Было предусмотрено переоборудование вертолета в санитарный вариант для перевозки до 12 носилочных раненых. По левому борту грузовой кабины сделали сдвижную дверь. В то же время боковые двери кабины экипажа заменили более простыми сдвижными блистерами, которые могли служить аварийными люками. Сдвинув блистер в полете, летчик мог выглянуть из кабины, что очень важно при посадке на незнакомую площадку или при работе с грузом на внешней подвеске. В носовой части вертолета предусмотрели место под пулемет А-12,7 Заложили также возможность оснащения В-8АТ двумя наружными фермами, на каждой из которых находилось по два узла для подвески вооружения, включая авиабомбы и блоки НАР УБ-16 под 57-мм ракеты С-5. Машину окрасили в защитный цвет и нанесли красные звезды.
Летом 1963 г. В-8АТ совершил первый полет, и вскоре в ГК НИИ ВВС на нем продолжились Госиспытания, которые проводили летчики П.А. Коротков, С.В. Петров и А.П. Холупов. Именно на этом вертолете 19 апреля 1964 г. экипаж летчика-испытателя В.П. Колошенко установил два мировых рекорда, преодолев за 12 ч 3 мин и 34 с замкнутый маршрут протяженностью 2465,7 км со средней скоростью 201,8 км/ч. Для этого в грузовой кабине пришлось установить два дополнительных топливных бака, а взлетная масса вертолета составила более 14 т вместо 12 разрешенных. Той же весной В-8АТ переоборудовали в правительственный салон. Впрочем, по прошествии всего нескольких месяцев машина снова стала транспортной.
В сентябре начался этап «Б» Госиспытаний,в котором, кроме машины № 02-02, задействовали В-8АП (сер. № 02-03, борт СССР-06181). Его сборку специалисты завода № 329 завершили в мае 1964 г. Вертолет построили в варианте правительственного «салона», установив в комфортабельной пассажирской кабине кресло и стол «главного пассажира», кресла для его помощника, «гостя» и сопровождающих лиц. Кроме того, на борту разместили специальное связное оборудование. В числе прочего, в ходе ГСИ на В-8АП испытывали усовершенствованный автопилот АП-34Б и систему синхронизации оборотов несущего винта.
Госиспытания завершились 3 ноября 1964 г. Всего в ходе обоих этапов ГСИ было выполнено 140 полетов с налетом 110 ч. Главным итоговым документом ГСИ стал Акт, содержавший положительное заключение по транспортно-десантному варианту вертолета. Он получил рекомендации к принятию на вооружение и запуску в серийное производство под обозначением Ми-8Т В 1964 г. успешно завершились испытания и двигателя ТВ2-117 который также получил рекомендацию в серию.
Испытания пассажирского варианта было решено продолжить в ГосНИИ ГА. Для этого зимой 1965 г. В-8АП переоборудовали, установив 20 стандартных пассажирских кресел, новую систему вентиляции, а также организовав гардероб, заменив звукоизоляцию и внутреннюю обшивку салона. Испытания успешно закончились в марте того же года рекомендацией к серийному производству вертолета под обозначением Ми-8П.
Через три месяца В-8АП в пассажирском варианте на 28 мест продемонстрировали на авиасалоне в Ле Бурже, представив его как серийный Ми-8. Для визита в Париж потребовалось проделать путь длиною в 3500 км, проходивший через 6 европейских стран в обход территории ФРГ. Хотя в экспозиции «восьмерка» терялась на фоне Ми-6 и Ми-10, которые советская делегация представляла с размахом, но у нее появились свои поклонники. В том числе к вертолету проявили интерес японцы, и для демонстрации потенциальным покупателям его решили показать в Стране восходящего солнца. Для этого Ми-8 совершил перелет в далекий Токио, преодолев с многочисленными посадками более 10000 км без серьезных отказов.
