Полученную от военных машину № 16-09 доработали весьма оперативно, в течение месяца с небольшим, и к концу октября 1982 года вывели на испытания. Ракета Х-59 подвешивалась на правом подфюзеляжном узле при помощи катапультного устройства АКУ-58, контейнер с аппаратурой управления размещался рядом на левой точке. Облет самолета был произвести летчиком-испытателем ОКБ А.А. Ивановым 1 ноября 1982 года. В рамках заводского этапа испытаний в течение 1982-83 годов были выполнены 86 полетов и семь практических пусков ракет. Испытания Х-59 на Су-17М4 были начаты 28 сентября 1983 года. Затем последовали специальные летные испытания в ГНИКИ ВВС, по программе которых произвели еще 64 полета и девять пусков, правда, только 39 полетов признали зачетными. Полеты выполнялись летчиком ОКБ И.В. Вотинцевым, от ГНИКИ ВВС летали В.А. Олейников, Ю.В. Жуков и В.И. Мостовой.
При некоторых стрельбах достигались заметные успехи: достигались попадания в щит мишени с точностью метр-полтора от "креста", правда, применять Х-59 можно было исключительно днем, при хорошей видимости и контрастности цели (иначе ее толком нельзя было разглядеть на экране, не то что осуществить наведение). Предусмотренное автономное управление для выхода в район цели с последующим ее поиском оказалось не очень надежным, уступая ручному режиму на всем маршруте полета с выводом ракеты на цель. При испытаниях наилучшие результаты достигались при наведении с помощью заметных линейных ориентиров, типа реки, железной дороги или шоссе, выводивших к цели, в противном случае ее обнаружение было проблематичным. Анекдотично выглядел случай, когда при очередном этапе испытаний на Су-24М зачетная стрельба оказалась под вопросом – мишень было не отыскать на безнадежно ровных просторах степи под Ахтубинском. Проявив смекалку, испытательная бригада одолжила в соседнем колхозе трактор, пропахав в направлении цели полосу в несколько километров. Взрытая черная земля, тянувшаяся к мишени, на экране наведения смотрелась контрастной четкой линией и стала надежным "указующим перстом", позволив решить задачу.
Кроме того, Х-59 на Су-17М4 висела уже на пределе – будучи весьма крупным изделием пяти с лишним метров длиной, размещаемая на фюзеляжных узлах ракета едва не касалась земли (в шутку даже предлагали рыть яму для подкатывания ракетной тележки). Испытания этого ракетного комплекса показали его перспективы, но в серию на Су-17М4 такой вариант вооружения не передавался. Положительному решению препятствовала невысокая надежность системы, страдавшей множеством дефектов.
Мнения разошлись: заказчик был за внедрение Х-59, однако с условием дальнейшего увеличения дальности. ОКБ начало проработку документации для закладки в серии, тем не менее, в конце концов, решили ограничиться использованием ракеты на бомбардировщике Су-24М, где функции оператора наведения выполнял штурман. Остававшийся в ОКБ самолет № 16-09 впоследствии использовался для испытаний новых кассет с ИК-ловушками. Впоследствии он демонстрировался в экспозиции ОКБ на авиавыставке МАКС-93 в Жуковском, однако в роли обычной серийной машины, без какого-либо упоминания о его участии в испытательных программах.