Одновременно с принятием Су-24 на вооружение были начаты работы по его дальнейшему совершенствованию. Главной задачей было оснащение бомбардировщика современным высокоточным оружием. Для обеспечения применения предусмотренных средств поражения была спроектирована новая прицельно-навигационная система ПНС-24М "Тигр-НС". Она отличалась усовершенствованным центральным компьютером ЦВУ-10-058К и комплектом прицельных подсистем. Среди последних главной новинкой была лазерно-телевизионная прицельная станция "Кайра-24". Новый самолет получил название Су-24М.

Лазерно-телевизионная станция "Кайра-24" позволяла осуществлять пуск управляемых ракет и сброс корректируемых бомб, оснащенных полуактивными лазерными ГСН (Х-25, Х-29Л, КАБ-500Л, КАБ-1500Л). При этом в отличие от самолетов Су-17М3 и МиГ-27М и Д, оснащенных ЛДЦ "Клен",бомбы КАБ-Л можно применять не только с пикирования, но и с горизонтального полета и даже с кабрирования, обеспечивая подсветку цели для бомбы, падающей за самолетом. Монохромный телевизионный индикатор станции "Кайра-24" использовался для наведения оружия с телевизионной системой самонаведения: управляемой ракеты Х-29Т и корректируемой бомбы КАБ-500Кр. Их преимущество заключается в полной автономности - "пустил и забыл". Еще одним компонентом управляемого оружия машины стала противорадиолокационная ракета Х-58. Максимальная масса подвесного вооружения самолета Су-24М была доведена до 8000кг.

Боевой радиус действия был увеличен за счет применения системы дозаправки. Самолетом-танкером мог служить такой же Су-24 с унифицированным подвесным заправочным агрегатом или самолет-заправщик Ил-78.

В основном Су-24М сохранял внешний вид обычного Су-24, но носовая часть стала длиннее и получила небольшой наклон вниз. В удлиненных корневых наплывах по типу МиГ-27 разместили антенны бортового комплекса обороны БКО-2 "Карпаты, состоявшего из станции предупреждения об олучении СПО-15М "Береза", теплопеленгатора предупреждения о пуске ракет, станций постановки активных и пассивных помех. Этим комплексом управляет отдельная БЦВМ "Неон". Для повышения устойчивости на центроплане установили мощные аэродинамические гребни.

На Государственных испытаниях основной упор был сделан на проверку его боевых качеств и прежде всего характеристик прицельно-навигационной системы "Тигр". Высотные характеристики самолета даже не проверялись - он должен был применяться исключительно с предельно малых высот. Несмотря на то, что силовая установка, сохранившаяся с первого варианта машины практически без изменений, считалась уже достаточно доведенной и надежной, в ходе испытательных полетов погибло четыре из семи опытных образцов "эмки". Первый серийный самолет Су-24М был выпущен летом 1979 года.

Размещение нового электронного оборудования и более мощного вооружения привело к росту массы и ухудшению некоторых параметров летных характеристик самолета. Тем не менее они оставались на очень высоком уровне. Неожиданной оказалась высокая маневренность самолета. Без подвесок и с неполным запасом топлива Су-24М оказался способен даже на эффектный высший пилотаж.

В ходе производства Су-24М вместо орудия ГШ-6-23 стали ставить ГШ-6-23М, скорострельность которого на максимальном режиме возросла с 8000 до 10000 выстрелов в минуту. Но с пушкой на Су-24М были и проблемы - вибрации и ударные нагрузки пагубно действовали на конструкцию и вызывали отказы оборудования. К началу девяностых годов был создан ряд модификаций ракет класса воздух-поверхность, вошедших в арсенал Су-24М. Ракета Х-59М "Овод-М" получача комбинированную силовую установку из разгонного РДТТ и маршевого турбореактивного двигателя, что значительно увеличило дальность пуска при более мощной БЧ. Возросли характеристики дальности и у новой противорадио-локационной Х-58Э. А против самой совершенной системы ПВО стран НАТО типа "Патриот" была спроектирована высокоскоростная дальняя ПРР Х-31П. Появление ракет Х-25МТ и Х-29Д с термовизионными ГСП повысило всепогодность машины. Появление управляемых ПТАБ-СПБ значительно повысило эффективность разовых бомбовых кассет (РБК).

Официально поставки самолета Су-24 на экспорт были разрешены только в 1987 году. Экпортный вариант самолета получил наименование Су-24МК (К - коммерческий). Эти самолеты отличались переделкой навигационного и связного оборудования, отсутствием штатной системы госраспознавания и оборудования для ядерного оружия. Самолеты передавались заказчику в темной матовой камуфляжной окраске с серо-голубым, а не с высокоотражающим белым низом. Су-24МК поставлялись в Ирак, Ливию, Сирию и Алжир. Эксплуатация Су-24 в условиях жаркого сухого климата и запыленности воздуха показала высокую надежность силовой установки и всех систем самолета. Однако обстановка в мире изменилась, и эти грозные машины так и не иступили в дело.

Су-24М остается единственным фронтовым бомбардировщиком ВВС России. Однако с распадом СССР программы модернизации самолета были свернуты, а изношенность техники и недостаточный налет экипажей не могли не сказаться на росте аварийности. В качестве возможного преемника Су-24 может рассматриваться новый Су-34. Тем не менее в 2001 году была продемонстрирована еще одна модификация самолета Су-24М2. Направлениями дальнейшего совершенствования самолета являются оснащение его новым вооружением и БРЭО. Система, интегрированная с БРЛС, оптоэлектронными системами, ИЛС, новыми кабинными многофункциональными цветными жидкокристаллическими дисплеями и другим уже имеющимся или вновь устанавливаемым бортовым оборудованием, обеспечивает возможность длительного маловысотного полета над равнинной местностью на высоте 30-50м. Трехмерное цветное графическое цифровое изображение лежащей по курсу местности может выводится на ИЛС или на многофункциональный кабинный дисплей, на другой дисплей выводится цветная цифровая карта. Новая авионика позволила расширить номенклатуру высокоточного оружия. В целом, по результатам испытаний, боевая эффективность самолета Су-24М2 по сравнению с Су-24М повысилась на 30%.