Sukhoi bắt đầu hiện đại hóa Su-35 vào giữa thập niên 2000 để đưa Su-35 thành một máy bay tiêm kích thế hệ 4.5 hiện đại, tận dụng các công nghệ hiện tại đã có. Su-35 hiện đại hóa sẽ được thiết kế tạm thời cho đến khi máy bay thế hệ thứ 5 PAK FA (T-50) được đưa vào hoạt động.[10][11] Chiếc Su-35 hiện đại hóa đầu tiên mới đây đã được trưng bày tại triển lãm hàng không MAKS-2007 vào tháng 8-2007. Phiên bản Su-35 mới bay lần đầu vào ngày 19 tháng 2-2008. Phiên bản này bay giờ đang được sản xuất để cung cấp cho khách hàng bắt đầu vào năm 2009.[10] Su-35 hiện đại hóa được gọi là "Su-35BM" (Bolshaya Modernizatsiya - Hiện đại hóa lớn) bởi một số nguồn,[8][12] nhưng Sukhoi đơn giản chỉ đề cập nó là một máy bay tiêm kích như "Su-35".[10]

Su-35 mới bỏ đi cánh mũi và cánh tà hãm tốc độ từ thiết kế ban đầu của Su-35. Thiết kế mới có một khung máy bay gia cố nhằm tăng tuổi thọ và có một radar nhỏ hơn ở phía trước.[10] Su-35 hiện đại hóa có phần múi mới, trong đó chứa một radar quét mảng pha điện tử bị động cải tiến và máy bay cũng được nâng cấp hệ thống điện tử hàng không và các hệ thống điện khác, bao gồm hệ thống lái số fly-by-wire và radar quét sau để điều khiển tên lửa SARH. Hệ thống đẩy véc tơ 2 chiều không đối xứng đã được thử nghiệm trên Su-35 và có vẻ như sẽ làm cơ sở để phát triển Su-37.

Su-35 có động cơ đẩy véc tơ 3D mới có tên gọi 117S, đã được phát triển và thay thế các động cơ AL-35 hay AL-31F hiện có.[13] Động cơ 117S sử dụng công nghệ tua bin áp suất thấp và tua bin cao áp tiên tiến, đồng thời đã sử dụng hệ thống kiểm soát số hóa chính xác SDU-D. Những công nghệ mới này làm cho lực đẩy tổng thể của động cơ này tăng vọt 16%. Tuổi thọ sử dụng động cơ 117S là 4.000 giờ, hơn gấp đôi động cơ cùng loại. Thời gian cách nhau giữa hai lần đại tu là 1.000 giờ, cũng gấp đôi sản phẩm cùng loại, điều này đã đóng góp to lớn cho năng lực điều động và thời gian tác chiến của Su-35.[14]

Tuổi thọ khung thân của Su-35 cũng được nâng cao so với các tiền nhiệm của nó. Những chiếc Su-27 được chế tạo từ đầu những năm 1980 dự kiến có tuổi thọ bay là hơn 3.000 giờ bay, những chiếc Su-30MKI xuất khẩu cho Ấn Độ (chế tạo vào thập niên 2000) có tuổi thọ bay đạt 6.000 giờ, trong khi Su-35 cũng đạt 6.000 giờ bay (cần lưu ý là có sự khác biệt trong cách tính tuổi thọ giữa Nga và phương Tây. Quân đội Nga tính tuổi thọ khung thân máy bay bằng cách tính thời điểm "từ khi sản xuất đến khi phải thay thế một số bộ phận bị hao mòn", trong khi phương Tây tính tuổi thọ khung thân máy bay "từ khi sản xuất đến khi hao mòn không thể sửa chữa". Ví dụ như loại F-16 Fighting Falcon của Mỹ theo cách tính của phương Tây sẽ có tuổi thọ bay khoảng 8.000 - 12.000 giờ, nhưng nếu tính theo cách của người Nga thì chỉ đạt 4.000 giờ bay)

Bên ngoài Su-35 rất giống Su-27 nhưng bên trong hoàn toàn khác. Su-35 được trang bị 2 động cơ AL-41F1S (117S) có khả năng đẩy vector với lực đẩy mỗi động cơ khi sử dụng chế độ đốt sau là 142,2 kN cao hơn 16% so với Su-27. Su-35 được trang bị động cơ phụ ТА14-130-35 để cấp nguồn cho các hệ thống trên khoang. Cấu trúc Su-35 sử dụng các vật liệu mới. Dự trữ nhiên liệu là 11,5 tấn, nhiều hơn 22% so với ở Su-27.

Ra đa có thể khóa đến 30 mục tiêu khác nhau, trong đó có 8 mục tiêu có thể khóa gần như liên tục với độ chính xác đủ để đồng thời tiêu diệt bằng các tên lửa không đối không tầm trung với đầu dò chủ động. Có thể bắn hai mục tiêu đồng thời bằng các tên lửa với đầu dò bán chủ động, nhưng nó đòi hỏi rađa phải chỉ điểm mục tiêu trong một thời gian.

Tuy nhiên, Đài Phát thanh Trung Quốc trong một bài báo năm 2014 cho rằng Su-35 có một số điểm yếu khi so sánh với tiêm kích Trung Quốc. Radar Irbis-E trên thực tế chỉ là radar mảng pha quét điện tử bị động (PESA), trong khi đó, các máy bay J-10B của Trung Quốc đã được trang bị radar mảng pha quét điện tử chủ động AESA tân tiến hơn[15]. Su-35 có hạn chế do được thiết kế theo tư tưởng tác chiến cự ly gần trong khi hiện nay nhiều cuộc không chiến là ngoài tầm nhìn (BVR). Tuy nhiên, các bài báo này cũng trích dự đoán của chuyên gia Trung Quốc và đưa ra kết luận như sau: Tính năng của máy bay chiến đấu Su-35 đã vượt tất cả máy bay chiến đấu thế hệ thứ tư, bao gồm máy bay chiến đấu Rafale Pháp và máy bay chiến đấu Eurofighter Typhoon của châu Âu và cũng có thể đối đầu hiệu quả với máy bay chiến đấu tàng hình F-22A Raptor của Không quân Mỹ.[15]

Radar mảng pha Irbis-E có khoảng cách dò tìm đạt tới 400 km với mục tiêu có độ tán xạ radar (RCS) là 3m2 (tương đương máy bay F-16)[16][17] Với mục tiêu có độ tán xạ radar là 0,01m2 (tương đương máy bay tàng hình) phạm vi dò tìm đạt 90 km.[18]

Su-35 trang bị hệ thống tìm kiếm và theo dõi hồng ngoại (IRST, đây là tiêu chuẩn trang bị của hầu hết máy bay tác chiến Nga. Hệ thống IRST của Su-35 là OLS-35, hệ thống này một lần có thể theo dõi 4 tín hiệu hồng ngoại với các bước sóng ngắn khác nhau, khoảng cách dò tìm tối đa là 90 km (phần đuôi mục tiêu) và 50 km (phía trước mục tiêu). Nhờ hệ thống này, Su-35 có thể âm thầm công kích mục tiêu mà không cần bật radar dò tìm, đây là một yếu tố quan trọng trong những chiến thuật kiểu tấn công bất ngờ: việc bật radar dò tìm sẽ khiến máy bay phát ra tín hiệu điện từ, các thiết bị cảnh báo của đối phương có thể sẽ dò ra nguồn phát và khiến cuộc công kích mất đi tính bất ngờ, trong khi đó thiết bị IRST hoạt động mà không phát ra nguồn tín hiệu nào nên máy bay đối phương sẽ không thể dò thấy.

Hệ thống ngắm quang điện tử không đối đất có thể dùng hồng ngoại và laser, cũng như nếu mục tiêu đã bị chỉ điểm bằng laser từ đâu đó thì vũ khí từ máy bay có thể tự tìm đến mục tiêu đó. Hệ thống nhắm có thể đồng thời khóa và chỉ thị cùng lúc 4 mục tiêu ở mặt đất. Với trang bị hệ thống phòng vệ trên khoang tốt hơn hơn. Hệ thống hồng ngoại dò báo động tên lửa đang khóa máy bay với 6 cảm biến bố trí ở trước thân máy bay để dò bao quát mọi góc độ. Hệ thống có thể phát hiện tên lửa phòng không vác vai kích hoạt trong phạm vi 10 km và tên lửa không đối không ở khoảng cách 30 km Và tên lửa đất đối không trong bán kính 50 km. Hai cảm biến dò laser được bố trí ở hai bên phần đầu của máy bay. Hệ thống có thể phát hiện các máy chiếu laser ở khoảng cách 30 km[19].

Theo nguồn tin trích lại từ Đài phát thanh "Tiếng nói nước Nga" (The Voice of Russia - Голос России) thì với động tác kỹ thuật siêu đẳng mà không một loại máy bay nào trên thế giới hiện nay có thể làm được, các chuyên gia phương Tây đã phải kinh ngạc thốt lên: "Đây không phải là máy bay mà là UFO"![20][21]