В первый испытательный полет опытный бомбардировщик поднялся еще в 1954 году. Через два года, 25 июня 1956 года, он был продемонстрирован вместе с другими новыми советскими самолетами на подмосковном аэродроме представителям западных государств. После летных испытаний и замены двигательной установки (два Ал-5 по 5000 кГ тяги) на еще более мощные турбореактивные двигатели КБ А.М. Люльки Ал-7 (по 7000 кГ тяги) была выпущена небольшая серия Ил-54. В 1957 году в День авиации 36 этих самолетов участвовали в воздушном параде.