Существовало две основные модификации самолета Су-9:

— базовая модификация — истребитель-перехватчик Су-9 (1956 г.);

— учебно-боевой двухместный вариант – Су-9У (1959 г.).

Су-9У имел возможность размещения второго пилота благодаря удлинению фюзеляжа за счет 60-сантиметровой проставки возле кабины пилота. Также была доработана конструкция фонаря кабины, откидные части которого начали открываться вверх-назад (на боевом самолете они сдвигались), а также система управления и катапультирования. Выполняя требование военных, на самолете был предусмотрен полный комплект бортового оборудования, в том числе РЛС с двойной индикацией, при этом комплекс вооружения был сокращен до 2-х комплектов из ракет РС-2УС.

Опытный самолет в I960 г оду переоборудовали из серийного Су-9, и в начале 1961 г. был выполнен его первый полет. В 1962 г. доработке подверглись кабина и фонарь, чтобы обеспечить инструктору необходимый уровень обзора.

По результатам проведенных 83 испытательных полетов выяснилось, что самолет вполне подходит для обучения и тренировок летного состава в плане перехвата воздушных целей, движущихся со скоростью до 1600 км в час на высоте до 20 км, в любое время и в любых метеоусловиях. Результаты всех доработок признали удовлетворительными, и самолет был рекомендован в серийное производство с дальнейшим принятием на вооружение.