2012年3月10日出现的2002号验证机就有了很大的改动，亮相时是没有座舱盖的，机首上部的空速管被移动到了机首顶端，这是为安装机载雷达做准备，2002号验证机的试飞“非常忙”，在2月进行了低空机动测试，5月又进行了高空高速测试，以获得高级飞行参数，验证飞机的整体气动特性，10月又装上有源相控阵雷达，在未来的一年中主要测试雷达性能和武器系统，2003号歼-20验证机在2012年10月亮相，但没有试飞，只是待在厂房内用于地面静力测试，之后就消失了，验证机的飞行测试在2013年结束，开始进入根据飞行测试得到的参数改进阶段，2013年9月，2004号验证机出现，其实就是用2002号验证机改装的，只是为了测试新项目就改了机号，2001号到2004号验证机完成三年试飞后，就可以原型机阶段了。
二：2011号原型机
原型机是01批次，一共有6架，以201开头，从2011号至2017号， 这个批次意味着歼-20进入了一个新的发展阶段，2001号和2002号类似于洛克希德公司和诺斯罗普公司用于竞标美国空军ATF项目的YF-22和YF-23工程验证机，01批次的歼-20则类似进入工程制造阶段的F-22原型机，工程验证机的作用是验证设计概念的可行性。原型机就是针对工程验证机在试飞中出现的问题改进的，制造原型机标志着设计概念可行，整个项目开始从验证试飞阶段朝着定型试飞阶段发展，歼-20首架2011号原型机于2014年3月2日中午12点首飞，2011号在气动布局上变化不大，说明2001和2002号原型机的基本气动设计是成功的。
外观上最明显的变化是换上了与F-22相同的银灰色隐身/伪装涂装，喷涂方式与F-22、F-35相似，2002号验证机只是使用了密闭蒙皮缝隙的墨绿色底漆，2011号则刷上有镀银薄片的聚氨酯导电吸波涂料，外观熠熠生辉，翼面涂装由边缘和内侧逐渐过渡，垂尾内侧，边缘与内侧交界处贴有黄色的吸波新材料，这不但更有战斗机的气势，也证明了隐身涂料技术有了新的突破，另外一个变化是机头下方多了一个和F-35相似的钻石状光电跟踪系统，具有红外成像、跟踪和激光测距、指示功能，使得歼20具备了对地精确打击能力，此外机头两侧的大气数据传感器和光电监视告警系统位置也改动了，机头两侧多了一个双六边形舱盖，进气道两侧增加了告警天线探头，主轮整流罩和机尾尾撑也增大容纳新的传感类天线，座舱内衍射平视显示器改为无边框的一体化屏幕。