1996年底，时任中国总理的李鹏在访俄期间签署了购买40架多用途战斗机的协议，总价值高达18亿美元。之后，有关合同条件的谈判立即展开。苏霍伊公司看到了在满足中方对苏-30MK要求中存在的巨大潜力。该公司决定利用苏-27M的技术来研制一款新型战机——其配备了高且薄的由碳纤维制成的尾翼。这种新机后来被称为苏-30MKK（最后一个K代表中国）。
经过两年的谈判，俄罗斯最终同意向中国出售苏-30MKK。合同的细节在1998年举行的珠海航展期间敲定。1999年3月，时任中国总理的朱镕基在访俄期间与俄方签署了购买38架苏-30MKK的正式合同。此举无疑是俄中军事技术合作史上的又一重大事件。同月，苏-30MKK的首架原型机在茹科夫斯基机场完成了首飞。
2000年11月，一架编号为502的苏-30MKK在珠海航展亮相，1个月后，首批10架苏-30MKK交付中方。第二批10架战机于2001年8月21日交货，最后一批18架则在当年12月抵达中国。
2001年7月，中俄两国元首签署了再提供38架苏-30MKK的合同。
2002年，双方开始就提供用于装备中国海军航空兵的苏-30MK2进行谈判。这种新型战机的火控系统进行了修改，可发射X-31A反舰导弹。
2003年初，俄中两国签署了提供24架苏-30MK2多用途战斗机的合同。这批战机均已在2004年交付完毕。
苏-30MKK较苏-27SK/苏-27UBK更为完善，其靠近机翼根部的位置增加了两个外挂点，且它们均可挂载重达2吨的武器载荷。这两个新挂点可挂载大型“空对面”导弹。苏-30MKK的最大战斗载荷达8吨，最大燃料储备为10185千克。此外，该机还空中受油管。由于机身重量有所增加，苏-30MKK的机身部分组件和起落架均进行了加固。在执行夺取制空权的任务时，苏-30MKK可使用R-77和R-73导弹，而在执行对地和对海攻击任务时，则可使用X-59、X-29和X-31导弹，以及各种类型的激光制导航弹。
苏-30MKK装备有一部N001VE雷达。N001VE为N001V的简化版本，探测距离为100千米，可同时跟踪10个目标并引导R-77对其中的两个实施攻击。装备中国海军航空兵的苏-30MK2则配备了N001VEP型雷达，其探测距离增加至110千米，可引导X-59和X-31A导弹。
