Пришлось дополнительно отклонить оси выхлопных труб от бортов самолёта ещё на 3°, а также усилить некоторые элементы каркаса лодки и оперения. Это позволило снизить уровень вибраций до допустимых пределов. В воздух первый опытный Бе-10 с бортовым номером "10", пилотируемый подполковником В.В. Курячим (штурман B.C. Фадеева и бортрадист Г.В. Галяткина) впервые поднялся 20 июня 1956 г. Полёт длился 20 минут и прошёл нормально.

Во второй полёт Бе-10 отправился, пилотируемый Г.И. Бурьяновым, ставшим бессменным командиром экипажа на всём протяжении заводских испытаний, во время которых выполнили 76 полётов общей продолжительностью 83 ч 33 мин. 20 октября 1958 г. этот этап в биографии Бе-10 завершился, и в тот же день начались совместные государственные испытания, продлившиеся до 20 июля 1959 г. В них, кроме первой опытной, участвовала и первая серийная машина (бортовой номер "15").

На опытном самолёте определялись лётные и мореходные характеристики, испытывались силовая установка и оборудование, а на первом серийном проверялись вооружение, фотооборудование и автопилот. К моменту окончания испытаний опытный экземпляр Бе-10 совершил 109 полётов, общий налёт составил 138 часов 33 минуты, а первый серийный - 91 час 31 минуту (65 полётов). Испытания трижды прерывались, один раз в связи с перебазированием из Таганрога в Геленджик и дважды из-за выхода из строя двигателей.

В акте по результатам госиспытаний Бе-10 рекомендовался с определёнными оговорками для принятия на вооружение авиации ВМФ СССР в качестве разведчика-торпедоносца. Однако отмечалось, что лётные данные не полностью соответствуют тактико-техническим требованиям - самолёт имеет максимальную скорость 910 км/ч вместо заданной 950 - 1000 км/ч, практический потолок не превышает 12 500 м вместо 14 000 - 15 000 м, практическая дальность полёта равна 2895 км вместо 3000 км. Основной причиной снижения лётных данных стало несоответствие фактических параметров двигателя заявленным.