4 сентября 1961 г. начались его летные испытания, которые ОКБ Антонова проводило совместно с Научно-исследовательским и экспериментальным институтом парашютно-десантных систем (НИЭИ ПДС). Ан-24Т пилотировали летчики-испытатели ОКБ Ю.В.Курлин и А.М.Цыганков. До 3 января 1962 г они выполнили 36 полетов, в ходе которых исследовались ЛТХ самолета и выяснялась возможность выброски парашютистов и парашютно-десантных систем через входную и грузовую двери. В конце весны - начале лета состоялись еще 22 полета по программе дополнительных заводских испытаний, предназначенных для проверки работоспособности специального оборудования.

В июле самолет предъявили на совместные Госиспытания (участвовали представители ОКБ и ВВС). Полеты проходили с 17 сентября 1962 г. по 12 июля 1963 г. в районе подмосковного аэродрома Чкаловская. Их выполнял экипаж ГК НИИ ВВС во главе с подп-ком В.С.Елисеевым при участии ведущего инженера м-ра В.А.Анисимова. который потом долгие годы занимался в институте грузовыми самолетами этого семейства. В своем Заключении военные испытатели указали, что Ан-24Т практически соответствует требованиям ВВС и пригоден для принятия на вооружение. Однако первый заместитель командующего ВТА Герой Советского Союза генерал-л-т И.А.Таранен-ко высказал другое мнение. Он считал, что «Ан-24Т не соответствует задачам, возлагаемым на легкие ВТС в современных условиях… по следующим причинам: не обеспечивается парашютное десантирование мелких грузов* и техники; нет достаточной перегоночной дальности (1890 км) и мал практический радиус десантирования (180-225 км на высотах 1000 и 6000 м, соответственно); бортовой люк не позволяет грузить в самолет и транспортировать по воздуху легкую боевую технику в пределах грузоподъемности и габаритов грузовой кабины». Еще одним недостатком машины был фанерный пол, который при перемещении по нему грузов быстро приходил в негодность.