В лётной подготовке задача лётчика состояла в отработке бомбометания с горизонтального полёта, кабрирования и пикирования под углом до 45° (последний приём выполнялся после энергичного боевого разворота на форсаже). Кроме того, внимание уделялось манёврам безопасности при уходе от места взрыва, ведению радиообмена и выдерживанию боевых порядков при групповом ударе, когда предстояло перед атакой выполнить расхождение и выбрать путь, огибающий намеченные эпицентры взрывов от работы соседних носителей.

В ходе боевой учёбы вылетов с реальными ядерными бомбами никогда не выполнялось. Как часть мер безопасности, их не вывозили на аэродромы из укрытий ремонтно-технических баз (РТБ), подчинявшихся 12-му Главному управлению Минобороны, где выполнялись обслуживание, подготовка и снаряжение спецбоеприпасов. В округах РТБ обычно развёртывались при дивизиях ИБА и БА или для обеспечения частей ВВС всего округа. Свои РТБ имелись и в Группах советских войск на территории других стран. При необходимости спецбомбы доставлялись непосредственно на аэродромы, расположенные не только на территории СССР, но и ряда стран соцлагеря.

При тренировках в полках спецбоеприпасы заменяли специальные имитаторы. Габаритно-весовые макеты (ГВМ) представляли собой «болванки», с которыми наземные службы отрабатывали подвеску, а лётчики — особенности пилотирования и боевые манёвры (но без сброса). Учебные изделия (УИ) несли в корпусе полный комплект системы управления боеприпасом, позволявший выполнять все реальные процедуры, почувствовав «палец на спусковом крючке» (хотя заряда изделия не имели). Вылеты с ними совершались достаточно часто, обеспечивая необходимый уровень навыков. Ближайшим аналогом боевых бомб были тренировочно-боевые изделия (ТБИ), отличавшиеся только снаряжением — вместо ядерного заряда они несли имитационную боевую часть, дававшую при взрыве яркую вспышку. ТБИ представляли собой устаревшие и разоружённые «изделия» и комплектовались полным набором специального оборудования, включая систему контактных датчиков, радио- и барометрический высотомер для задания наземного или воздушного взрыва.

На живописном снимке известного авиационного фотографа С. Скрынникова запечатлён МиГ-27Д в полёте.

При подвеске любых имитаторов соблюдались все меры ядерной безопасности и охраны: изделия вывозили из хранилищ на тележках под чехлами, их доставка сопровождалась офицерами РТБ, а к самолёту-носителю имел доступ ограниченный круг лиц со специальным допуском (к слову, имевших солидную надбавку к зарплате «за секретность»). Оберегая изделия от нескромных взглядов, снаряжение машины выполняли только в укрытии или специальной палатке, развёрнутой на стоянке (как исключение, вне укрытий разрешалась подвеска их на самолёт ночью, под покровом темноты). Вокруг выставлялся караул, причём охране предписывалось стоять к бомбардировщику спиной, наблюдая за окрестностями. Помимо стыковки разъёмов, проверки цепей управления и готовности боеприпаса, отрабатывались навыки обращения на специфичном в подвеске МиГ-27: подкатить габаритную тележку к подфюзеляжным узлам мешало шасси, и приходилось выворачивать её так и этак, примериваясь к держателям. Именно неудобство подвески привело к переносу узлов под спецбоеприпасы на подкрыльевые точки, осуществлённому на МиГ-27 типов К, М и Д. Для уменьшения времени, необходимого для подготовки изделий к применению, иногда практиковалась подвеска имитаторов прямо из транспортных контейнеров, в которых изделия хранились в РТБ.

В ходе пятнадцатилетней эксплуатации служба МиГ-27 ограничивалась только ВВС — на вооружение морской авиации до самых последних лет они не поступали. Однако полкам ИБА Прибалтики и Дальнего Востока назначались и морские цели, включая оказывавшиеся в пределах досягаемости авианосные группировки НАТО. Отработка ударов по морским целям проводилась на полигонах в прибрежных заливах, где мишенями служили заякоренные или притопленные на мелководье корабли и баржи. Здесь же базировались корабли группы управления, патрулировавшие закрытую для плавания акваторию и контролировавшие результаты атак. В Ленинградском округе «морской полигон» находился на Ладожском озере, под Одессой мишенные поля были оборудованы в безлюдных плавнях Днестровского и Днепро-Бужского лиманов.

Добиться поражения крупного боевого корабля «по типу А» (с потоплением цели) для МиГ-27 было проблематично не только из-за ограниченности вооружения, но и из-за необходимости действовать в зоне поражения мощной корабельной ПВО. Однако вывод их из строя (поражение «по типу В») оценивался как вполне реальный, хотя и требовал значительного наряда сил с учётом неизбежных потерь при прорыве к цели. Наступательных возможностей МиГ-27 вполне хватало, чтобы нанести значительный ущерб даже большому кораблю: попадание фугасной «пятисотки» давало изрядную пробоину и внутренние разрушения, а ракеты С-24 разносили борт и отсеки небронированной цели, чего с избытком хватало для десантного корабля или транспорта.

Во время пусков ракет на полигоне у острова Суурпаки в Финском заливе летом 1983 г. служившая целью баржа не дотянула до конца стрельб. Отработав по ней, очередной лётчик из 88-го апиб докладывал: «Мишень булькнула, только пузыри остались, надо ставить новую».

На Ладоге летом 1984 г. при выполнении пушечной атаки по надводной цели молодой лётчик 722-го полка перепутал и вместо баржи-мишени открыл огонь по находившемуся неподалёку кораблю управления. Не помогли ни флаги расцвечивания, ни сигнальные дымы — пушечной очередью его буквально развалило на части, на борту погибли командир, руководитель полётов и несколько офицеров.

Работа над морем часто осложнялась меняющейся погодой. В Дальневосточном округе при тактическом бомбометании по морским целям 11 июля 1987 г. были потеряны сразу два МиГ-27Д из 300-го апиб. На полигоне в сахалинском заливе Анива цели закрывала облачность с нижней кромкой до 400 м. Лётчикам, старшим лейтенантам С. Ю. Чуневу и М. Г. Князеву, пришлось пробивать облака, чтобы обнаружить мишени, но ведущий не заметил, что ошибся на 1000 м с выставлением высоты. Круто снижаясь, пара вынырнула из облаков и в пикировании ушла в воду.

Взлёт пары МиГ-27К. Для выполнения учебной задачи самолёты несут только по одному блоку УБ-32А-73.

МиГ-27Д в полёте с крылом, установленным в положение 45°. При такой стреловидности по инструкции выполняется пилотаж, осуществляются сложные виды манёвра при боевом применении и ведётся воздушный бой.

МиГ-27Д 58-го апиб перед полётом на бомбометание. На левом подфюзеляжном держателе БД3-УМК подвешена штурмовая авиабомба ОФАБ-250ШН.