Oblotu nowej maszyny dokonano 11 stycznia 2011 roku; za sterami samolotu siedział pułkownik Li Gang, który wcześniej brał udział w pracach nad samolotami Chengdu J-7, JF-17 Thunder i Chengdu J-10. Ujawniony egzemplarz miał numer boczny 2001, według niepotwierdzonych źródeł istnieje jeszcze jeden samolot o numerze bocznym 2002. Przygotowania do oblotu rozpoczęto 22 grudnia 2010 roku, prawdopodobnie maszyna miała się wznieść do dziewiczego lotu 7 stycznia 2011 roku, jednak z nieznanych powodów oblot przełożono na 11 stycznia. Jest wielce prawdopodobne, że data oblotu związana była z wizytą w Chinach sekretarza obrony USA Roberta Gatesa. Sam lot w asyście dwumiejscowego samolotu J-10 trwał 21 minut.
16 maja 2012 roku do dziewiczego lotu wzbił się drugi prototyp maszyny J-20, oznaczony numerem 2002, a 1 marca 2014 roku – trzeci samolot prototypowy o numerze bocznym 2011Maiden Flight of Third Chengdu J-20 Prototype, „Air Forces Monthly”, nr 4 (2014), s. 20, .