Проектирование велось под руководством П.П.Дементьева и В.Т.Корсакова. Первоначально предполагалось создать две унифицированные ракеты: К-27А для МиГ-29 и К-27Б для Су-27, отличающиеся силовыми установками и дальностью пуска. На каждой модификации ракеты предусматривалось применение тепловой и радиолокационной головок самонаведения. При этом и двигатели, и ГСН должны были быть взаимозаменяемыми, т.е. ракеты создавались по модульному принципу. Впервые в отечественной практике было решено отказаться от элеронов и осуществить управление по всем каналам дифференциальным отклонением рулей. Для этого были применены рули уникальной формы — «бабочка» (с отрицательным сужением).

Принципиально новые технические решения были применены и при разработке бортовой аппаратуры. Для радиолокационной ГСН специалисты НИИП выбрали комбинированную схему функционирования: на основном участке полёта управление осуществлятся по радиоканалу с носителя, а на удалении 25 км от цели ГСН захватывает её на автосопровождение и переходит в режим самонаведения. В результате удалось в 2–2,5 раза увеличить дальность пуска. Впервые в ГСН применена антенная система с трёхосной стабилизацией. Аналоговое и цифровое вычислительные устройства обеспечивают реализайию адаптивной логики при воздействии естественных и организованных помех.

В работе над ракетой участвовали специалисты ЦАГИ и НИИ-2. Было рассмотрено несколько вариантов компоновки. В 1977 году, после появления первых прототипов носителей, начались лётные испытания ракеты. Отработка РЛС «Рубин» и ГСН велась на летающей лаборатории Ту-124ЛЛ. Первые пуски К-27 были выполнены в 1979 году с доработанного МиГ-23МЛ. В 1980 году с него же выполнялись первые пуски по мишеням (парашютным и Ла-17). Дальнейшие испытания проводились с использованием МиГ-29 и продолжались до сентября 1984 года. Серийное производство Р-27 ( «изделие 470») организовано в 1984 году. В 1987 году ракета принята на вооружение (в вариантах Р-27ЭР и Р-27ЭТ). В 1991 году группа разработчиков ракеты удостоена Государственной премии.

Ракеты семейства Р-27 предназначены для перехвата и уничтожения самолётов и вертолётов всех типов, беспилотных летательных аппаратов и крылатых ракет в воздушном бою на средних и больших дистанциях, при автономных и групповых действиях самолётов-носителей, днём и ночью, в простых и сложных метеоусловиях, с любых направлений, на фоне земли и моря, при активном информационном, огневом и маневренном противодействии противника.

Ракеты семейства Р-27 выполнены по аэродинамической схеме «утка». Конструкция модульная: ракеты имеют одинаковые боевые части, блоки управления и энергопитания, несущие поверхности и рули. Различаются силовыми установками и головками самонаведения. Крылья малого удлинения трапецевидные в плане. Рули имеют сужающуюся к основанию форму (хорда в корне в 2 раза меньше, чем у законцовок), что обусловлено спецификой сверхзвуковой интерференции корпуса и подвижных рулей большой площади. Рули расположены вблизи аэродинамического фокуса ракеты, что обеспечивает непосредственное управление подъёмной силой и делает возможным перехват маневрирующих целей по оптимальным траекториям. Приводы рулей гидравлические с питанием от гидронасоса (впервые на отечественных ракетах такого класса). В носовой части корпуса ракеты располагается ГСН. В отсеке за ней расположены радиовзрыватель и автопилот. В третьем отсеке находится энергоприводной блок (турбогенератор, привод гидронасоса и рулевые машины). Четвёртый блок содержит боевую часть (осколочно-фугасную или стержневую). В пятом отсеке располагается силовая установка, состоящая из твердотопливного ракетного двигателя с титановым корпусом. Двигатели устанавливаются двух типов: однорежимный (диаметр 230 мм, длина 1500 мм) и двухрежимный (на Р-27Э, диаметр 260 мм, длина 2200 мм). Стыковка отсеков осуществляется при помощи запирающих устройств эксцентрикового типа. В войска ракеты поступают в собраном виде (но с отстыкованными рулями и крыльями). Ракеты применяются с рельсовых пусковых установок АПУ-470 или катапультных АКУ-470 (только модификайий с радиолокационной ГСН).

В систему управления ракет помимо ГСН входит инерциальная навигационная система с радиокоррекцией. Целеуказание может осуществляться от бортовых радиолокационных, теплопеленгационных или оптико-электронных прицелов самолёта-носителя, от нашлемной системы лётчика. Возможен пуск ракеты в сторону самолёта противника с последующим автономным захватом в полёте. Всеракурсные ракеты Р-27 атакуют цель при любом их начальном положении в поле углов целеуказания ±50° для радиолокационной ГСН и ±55° для тепловой. Перегрузка носителя в момент пуска может достигать 5 единиц. Ракеты Р-27 перехватывают воздушные цели, летящие со скоростями до 3500 км/ч в диапазоне высот от 20 м до 27 км. Максимальное превышение (принижение) цели относительно носителя может достигать 10 км. Совместное применение в боекомплекте самолета ракет Р-27 с различными головками самонаведения повышает помехозащищенность и эффективность системы вооружения авиационных комплексов в целом.

Аналогом Р-27 является американская ракета AIM-7F «Сперроу». Ракеты семейства Р-27 отличаются большей дальностью пуска. Кроме того, у американской ракеты отсутствует вариант с тепловой ГСН.