Первоначально Ил-38 рассчитывался под двигатели АИ-20, с которыми его взлетный вес не должен был превышать 63 500 кг, а вес сбрасываемых грузов – 5620 кг.
Заводские испытания самолета запланировали на аэродроме Кировское (Крым) филиала НИИ ВВС во II квартале 1962 года, а всей системы – с 15 марта 1963 года.
Прототип Ил-38 построили на опытном заводе ОКБ-240 совместно с заводом № 30, поставившим готовые агрегаты планера и ряд систем.
27 сентября 1961 года состоялся первый полет Ил-38 с двигателями АИ-20А, но без противолодочного оборудования (летчик-испытатель В.К. Коккинаки, второй пилот Э.И. Кузнецов, штурман В.Ф. Воскресенский, бортрадист И.С. Силиминов). В мае следующего года заказчику предъявили макет (фактически готовый самолет с макетами противолодочного оборудования). Макетную комиссию возглавлял И.И. Борзов (c 1972 года маршал авиации).
В сентябре 1962 года с Центрального аэродрома имени М.В. Фрунзе в Москве взлетел второй опытный Ил-38. Установку на машину аппаратуры «Беркут», объединенной с пилотажно-навигационным комплексом с помощью ЦВМ-264, завершили лишь 16 марта 1963 года, а госиспытания полностью укомплектованной машины начались в апреле следующего года. В августе, после завершения первого этапа «А» госиспытаний, стало ясно, что все системы самолета и его бортовое оборудование, включая поисково-прицельную станцию «Беркут», доведены до работоспособного состояния и их параметры соответствуют тактико-техническим требованиям.
Спустя месяц начался второй этап «Б» совместных государственных испытаний, но в декабре пришлось сделать перерыв до апреля 1965 года, связанный с заменой оборудования, исчерпавшего свой ресурс, установкой новых более мощных двигателей АИ-20М и вспомогательной силовой установки ТГ-16 (за задним грузовым отсеком) и устранением выявленных дефектов.