Die bisher einzigen Kampfeinsätze der Su-33 erfolgte im Rahmen des russischen Militäreinsatz in Syrien. Im Oktober 2016 lief die Admiral Kusnezow, mit den Trägerflugzeugen MiG-29K und Su-33 von Seweromorsk nach Tartus aus. Vor der syrischen Küste angekommen, flogen die Kampfflugzeuge des Trägers Angriffe gegen Bodenziele in Syrien. Nachdem eine MiG-29K und eine Su-33 bei Lande- und Startmanövern in der Nähe des Trägers abstürzten, wurden die trägergestützten Kampfflugzeuge für weitere Einsätze auf den Militärflugplatz Hmeimim überführt. Während des zweimonatigen Einsatzes sollen von den MiG-29 und Su-33 420 Angriffe auf Ziele in Syrien geflogen worden sein.