Samolot S-37 to jednomiejscowy, dwusilnikowy samolot doświadczalny. Zbudowany jest w układzie integralnego trójpłata ze skrzydłami o odwrotnym skosie i dwoma płytowymi usterzeniami - przednim i tylnym. Przeciążenia dopuszczalne - g9,0.
Struktura płatowca wykonana jest w 13% z kompozytów. Są to kompozyty nowej generacji o strukturze, samoadaptującej się do optymalnego rozłożenia obciążeń aerodynamicznych i naprężeń wewnętrznych. Materiały są także dobrane zgodnie z wymaganiami dotyczącymi wytrzymałości cieplnej i charakterystyk radioelektronicznych.
Kadłub wykonany jest ze stopów duralowych i tytanu. Pokrycie kadłuba składa się z 28 integralnych, frezowanych paneli. Tylko przednia część, osłaniająca antenę radiolokatora, wykonana jest z radioprzezroczystego kompozytu. Na stożku umieszczono odbiorniki ciśnień aerodynamicznych.
Nieregulowane wloty powietrza, o przekroju zbliżonym do ćwiartek okręgów, znajdują się pod napływami skrzydeł. Kanały dolotowe powietrza do silników mają kształt spłaszczonej litery S, dzięki czemu ekranowane są tarcze sprężarek, co jest ważne z punktu widzenia obniżenia odbicia radiolokacyjnego samolotu. Na górnej powierzchni kadłuba, za usterzeniem umieszczono dwa dodatkowe wloty powietrza, wykorzystywane w czasie gwałtownych manewrów, a także przy starcie i lądowaniu.
Osłona kabiny pochodzi z samolotu Su-27. Przed nią, z prawej strony, podobnie jak w Su-35, znajduje się stacja optoelektroniczna. W dolnej części kadłuba znajdują się dwie komory do przenoszenia uzbrojenia. Przednia, za wnęką podwozia przedniego, o wymiarach ok. 3,75 x 0,8 m, tylna, między wlotami powietrza, o wymiarach ok. 4,6x2,2 m.
W tylnej części kadłuba znajdują się dwie cylindryczne owiewki, w których może być umieszczony radiolokator obserwacji tylnej półsfery lub urządzenia walki radioelektronicznej.
Kabina pilota wyposażona jest w boczny drążek sterowy. Fotel katapultowy K-36DM nachylony jest o 30°, co zmniejsza obciążenia działające na pilota podczas wykonywania gwałtownych manewrów. W samolocie seryjnym ma być wykorzystany fotel nowej generacji o jeszcze lepszych własnościach, umożliwiający ratunek w locie odwróconym na bardzo małej wysokości.
Skrzydła o odwrotnym skosie trapezowych części zewnętrznych, równym na krawędzi natarcia -20°, a na krawędzi spływu -37°. Część nasadowa skrzydeł o bardzo dużym skosie przechodzi w napływ, do którego mocowane jest usterzenie przednie. Wydłużenie płata - 4,5.
Skrzydła zbudowane są w 90% z kompozytów. Części zewnętrzne - składane. Na ich przedniej krawędzi znajdują się dwusekcyjne klapy przednie. Na tylnej-jednosekcyjne klapy i sterolotki.
Usterzenie przednie - płytowe, o obrysie trapezowym. Rozpiętość - ok. 7,5 m, kąt skosu krawędzi natarcia - 50°, a krawędzi spływu równy -16°.
Tylne usterzenie - płytowe, o bardzo małym wydłużeniu. Rozpiętość - ok. 8 m, kąt skosu krawędzi natarcia - 75°.
Usterzenie pionowe o obrysie zbliżonym do zastosowanego na Su-27, jednak o mniejszej powierzchni względnej. Stateczniki odchylone na zewnątrz, co zwiększa stateczność kierunkową i zmniejsza odbicie radiolokacyjne.
Zespół napędowy z dwoma zmodernizowanymi silnikami turboodrzutowymi D30F-6 o ciągu po 92,7 kN bez dopalania i 155 kN z dopalaniem, rozmieszczonymi w tylnej części kadłuba. Docelowo samolot ma być napędzany silnikami AL-41F o podobnym ciągu, wyposażonymi w system sterowania wektorem ciągu.
Podwozie trójpodporowe, chowane, adaptowane z myśliwca Su-27. Podwozie przednie chowane do przodu. Podwozie główne także chowane do przodu.
Wyposażenie pokładowe
System sterowania klasy fly-by-wire opracowany w MNPK Awionika na bazie systemu z samolotu Su-37. Umożliwia on m.in. wyjście z korkociągu bez udziału pilota. Samolot nie jest wyposażony w docelowy system uzbrojenia. W wersji docelowej myśliwiec ma być wyposażony w wielozadaniową stację radiolokacyjną opracowaną przez Fazotron zdolną do śledzenia 24 celów (i jednoczesnego naprowadzania 8 kpr) w zasięgu 165-245 km). W skład systemu wchodzi też stacja optoelektroniczna umieszczona przed osłona kabiny i stacja radiolokacyjna obserwacji tylnej półsfery. Samolot jest wyposażony także w systemy wre, w tym w cele pozorne, na które mają naprowadzać się kpr z głowicami termo- i radiolokacyjnymi.
Uzbrojenie podwieszane - w wersji doświadczalnej brak. W kadłubie umieszczono wewnętrzne komory, w których mogłoby ono być przenoszone. Teoretycznie możliwe jest też podwieszanie pocisków kierowanych pod skrzydłami.
W wersji docelowej S-37 będzie mógł przenosić wszystkie typy kierowanych pocisków rakietowych i uzbrojenia inteligentnego, po dostosowaniu do tego oprogramowania systemów pokładowych.
W lewym napływie znajduje się działko GSz-301 kal. 30 mm.