Программа заводских испытаний началась 15 сентября 1969 г. с первых подъемов на привязи. Через четыре дня летчиком-испытателем Г. В. Алферовым был осуществлен первый свободный полет. Оба первых экземпляра (ОП-1 и ОП-2), собранных опытным производством МВЗ, использованы для летных испытаний. Вслед за ними была заложена опытная серия в десять вертолетов: пять на МВЗ, пять на Арсеньевском машиностроительном заводе «Прогресс». Несколько арсеньевских аппаратов осталось по месту их постройки для нужд серийного завода, все остальные были переданы на летно-исследовательскую станцию МВЗ. На них были выполнены все заводские исследования по программам испытаний В-24 и его последующих модификаций. Один из «арсеньевских» аппаратов изначально создавался в качестве летающей лаборатории для испытаний противотанкового комплекса «Штурм-В». Кроме Алферова в испытательных полетах участвовали летчики: Г. Р. Карапетян, М. А. Материальный и многие другие.
Государственные испытания первых прототипов начались в июне 1970 г. и продолжались полтора года. Они велись интенсивно, иногда с участием 16 машин одновременно, и в целом подтвердили предварительные расчеты. При испытаниях В-24 был успешно решен ряд проблем прочности и ресурса, приняты меры, направленные на исключение повышенных вибраций. На новом вертолете, несмотря на значительное увеличение по сравнению с Ми-8 скоростей полета, уровень вибраций фюзеляжа оказался относительно невысок.
Однако во время полетов испытатели встретились и с рядом проблем, потребовавших внесения существенных изменений в конструкцию вертолета. На скоростях свыше 200 км/ч с выключенным автопилотом вертолет при наличии внешних возмущений был склонен к незатухающим или слабозатухающим колебаниям по курсу и крену («голандский шаг»), что заставляло летчика постоянно вмешиваться в управление. Для улучшения боковой устойчивости конструкторами было принято решение об установке на вертолет крыла с отрицательным поперечным V (угол 12°). Установленные на съемных боковых рамах противотанковые управляемые ракеты оказались несовместимы с вооружением, размещенным под крыльями, была выявлена опасность их соприкосновения при стрельбе. В связи с этим рамы ликвидировали, а по концам крыльев добавили вертикальные пилоны с закрепленными на них рамами с направляющими для противотанковых управляемых ракет. Крылья вертолета получили свой характерный силуэт.
Кроме того, в процессе разработки новой прицельной системы и вооружения конструкторы выявили, что кабина В-24 слишком тесна для размещения в ней системы «Радуга Ф» для полуавтоматического наведения противотанковых ракет и оборудования высокотемпного пулемета. В ОКБ было принято решение удлинить на опытном производстве МВЗ передние кабины на двух опытных прототипах. На них же впервые были установлены и крылья новой конструкции. Так в конце 1970 г. появилась первая модификация В-24. Запущенные в том же году в серийное производство на Арсеньевском заводе вертолеты строились с удлиненными кабинами и V-образными крыльями. Кроме того, по требованию заказчика кабина оператора была оснащена педалями и ручками управления на случай выхода из строя летчика. Однако, из-за задержки с доводкой нового комплекса вооружения, первые серийные вертолеты Ми-24 строились с комплексом «Фаланга-М» с ручным наведением и пулеметом А-12,7. Они получили поступили в войска под названием Ми-24А (Изделие 245). В следующем году, по завершении госиспытаний, модификация была официально принята к эксплуатации в частях ВВС. Аппаратами Ми-24 комплектовались отдельные вертолетные полки Советской Армии, входившие в состав общевойсковых армий и десантно-штурмовых бригад. В дальнейшем Ми-24 поступили и в отдельные вертолетные полки боевого управления, а с формированием структур армейской авиации и в состав отдельных вертолетных эскадрилий мотострелковых дивизий.
Транспортно-боевые вертолеты Ми-24А строились заводом в Арсеньеве в течение пяти лет. Всего их было выпущено около двух с половиной сотен. Некоторое количество вертолетов было выпущено в учебном варианте Ми-24У (Изделие 244), прошедшем испытания в 1972 г. и отличавшемся от боевого отсутствием носового пулемета. Вместо него в передней кабине летчика-инструктора были установлены полноценные рычаги управления и пилотажно-навигационное оборудование. Запуск в производство новой техники до ее официального принятия на вооружение, целесообразность которого была апробирована еще на вертолете Ми-4, и в данном случае оправдал себя. На вертолетах прошли подготовку летные экипажи и наземный обслуживающий персонал. Вертолеты Ми-24А поставлялись за рубеж, приняли участие в боях в Афганистане и локальных африканских конфликтах. Опыт эксплуатации этих машин внес большой вклад в их дальнейшее совершенствование и доводку, повышение надежности и эффективности вертолета.
Параллельно с внедрением в серийное производство вертолетов Ми-24А ОКБ продолжало совершенствование комплекса вооружения. Новая опытная модификация получила название Ми-24Б (Изделие 241). От Ми-24 и Ми-24А она отличалась подвижной пулеметной установкой УСПУ-24 с высокотемпным (4000–4500 выстр./мин.) пулеметом ЯкБ-12,7 (Якушев–Борзов), управляемой дистанционно с помощью прицельной станции КПС-53АВ. На установке была реализована возможность автоматизации введения поправок при стрельбе. В состав системы подвижного стрелкового вооружения (СПСВ-24) вошел аналоговый вычислитель, сопрягаемый с системой бортовых датчиков параметров. Кроме того, на Ми-24Б был установлен комплекс противотанковых ракет «Фаланга-П» с полуавтоматической системой наведения «Радуга-Ф». Это повысило частоту попадания ракет в цель в три-четыре раза. Гиростабилизированный прибор наведения позволил вертолету маневрировать в пределах ±60° по курсу в процессе наведения ракеты на цель, что существенно повысило его боевую эффективность.
Опытные Ми-24Б успешно прошли в 1971–1972 годах первый этап испытаний, но их доводка была остановлена. Опыт эксплуатции Ми-24А в частях выявил серьезный недостаток — неудовлетворительный обзор из кабины летчика. Относительно просторная кабина создавала большие «мертвые» углы наблюдения. Оператор закрывал летчику вид вперед и вправо, в свою очередь не имея возможности обозревать левую заднюю полусферу. Стекла «бликовали». Кроме того, размещение летчиков в одной кабине повышало опасность одновременного вывода их из строя в боевой ситуации. Поэтому в ОКБ им. М. Л. Миля в начале 1971 г. была спроектирована принципиально новая носовая часть: летчик и оператор размещались в изолированных узких и хорошо защищенных кабинах тандемно и на разных уровнях. Обе кабины имели бронестекла. При этом, кроме улучшения обзора летчика, была решена еще одна задача — беспечен широкий обзор (±60° по азимуту) прибору наблюдения системы «Радуга-Ф» без затенения элементами конструкции и такой же сектор для антенны командной радиолинии управления.
Это было достигнуто размещением систем по обоим бортам ниже обвода кабины. Размещавшийся на Ми-24А в кабине летчика патронный ящик был перенесен ниже ее пола и стал обслуживаться снаружи. Кроме того, летчики жаловались, что на некоторых режимах полета (на висении с левым боковым ветром в условиях влияния земли и скольжения) им не хватает запаса путевого управления. Эта проблема была решена в 1974 г. переносом рулевого винта с правого борта на левый. Винт из толкающего превратился в тянущий и за счет изменения направления вращения рулевого винта его тяга значительно увеличилась. Так окончательно сложился внешний облик вертолета Ми-24.
