Самолет Ту-154 не имел военного прототипа и с самого начала разрабатывался с учетом нормативных требований к пассажирским самолетам.

Компоновочно Ту-154 решался по схеме самолета Ту-134 с расположением силовой установки в хвостовой части фюзеляжа. В то время это была широко распространенная конфигурация, принятая многими авиационными фирмами, и самолет Ту-154 не был исключением. Аэродинамическая увязка, подбор профилей крыла в сочетании с высокой тяговооруженностью позволили добиться самой большой крейсерской скорости по сравнению с другими пассажирскими машинами аналогичного типа - до 950км/ч при одновременном обеспечении хороших характеристик устойчивости и управляемости во всем диапазоне скоростей и высот полета.

К конструктивным особенностям проекта самолета Ту-154 можно отнести:

• - трехдвигательная схема
• - высокая степень механизации крыла, что позволило получить хорошие взлетно-посадочные характеристики и дало широкие возможности по вертикальному маневру и удовлетворительные показатели по шумам на местности
• - на самолете Ту-154 впервые в отечественной практике был реализован для пассажирской машины принцип многократного резервирования всех основных систем, что явилось залогом высокой безопасности полета
• - впервые в практике отечественного пассажирского самолетостроения были применены необратимые бустеры на всех рулевых поверхностях
• - Ту-154 стал первым самолетом ОКБ, на котором была установлена вспомогательная силовая установка, обеспечившая автономность самолета на земле
• - впервые в практике ОКБ на Ту-154 была внедрена первичная система переменного тока стабильной частоты с обеспечением параллельной работы всех основных генераторов
• - впервые в практике ОКБ на самолете Ту-154 был применен реверс тяги двигателей, что позволило значительно улучшить посадочные характеристики самолета.

Первый полет опытного самолета Ту-154 с двигателями НК-8 состоялся в октябре 1968 года. Одновременно с испытаниями шла подготовка к серийному производству. В ходе первого этапа испытаний в 1969 году опытный самолет Ту-154 демонстрировался на салоне в Ле Бурже. Через год начались эксплуатационные испытания предсерийных самолетов и в начале 1972 года лайнер вышел на трассы "Аэрофлота".

Испытания Ту-154 в основном подтвердили его летные характеристики, но также показали, что самолет требует дальнейшего совершенствования. Однако главными проблемами самолета являлись обеспечение заданного ресурса и введение системы автоматического захода на посадку до высоты 30м.

После выпуска 49 машин первой модификации, началось производство варианта Ту-154А с ТВД НК-8-2У с большей степенью двухконтурности. Были улучшены аэродинамические свойства крыла, взлётная масса была доведена до 94т. На модификации Ту-154Б усилили крыло, в фюзеляже установили дополнительный топливный бак, максимальный взлетный вес был увеличен до 98т, а количество пассажиров за счет перекомпоновки салона возрасло до 180. Почти все собранные ранее лайнеры были доработаны до этой модификации. В 1982 году был построен грузовой вариант Ту-154С с боковой грузовой дверью, рассчитанный на перевозку грузов массой до 20т.

Исследования усовершенствованного варианта самолета Ту-154М, оснащенного более экономичными двухконтурными двигателями Д-30КУ, начались в 1981 году. Первоначально самолет имел обозначение Ту-164. Хотя взлетная тяга новых двигателей возросла незначительно, расход воздуха значительно увеличился, что потребовало использования новых воздухозаборников. Центральный двигатель получил новое выхлопное сопло, а боковые двигатели разместили в новых гондолах, установленных почти параллельно продольной оси самолета и снабженных створками реверса тяги. Вспомогательную силовую установку, ранее располагавшуюся над центральным двигателем, перенесли в среднюю часть фюзеляжа. Закрылки сделали меньшими по размерам, но более эффективными, а число интерцепторов увеличили с трех до четырех на каждой консоли крыла. Заметным внешним отличием стал увеличенный обтекатель перед горизонатльным оперением.

Первый полет опытного самолета был выполнен в 1982 году, а серийное производство началось в 1984 году. До появления самолета Ту-204, самолет Ту-154М был одним из самых экономичных российских пассажирских самолетов. Он является одним из немногих отечественных пассажирских самолетов, поставляемых на экспорт. Всего было построено 928 самолетов Ту-154, из них 320 в варианте Ту-154М.

В восмидесятых годах в ОКБ велись работы по применению на пассажирских самолетах криогенного топлива. В апреле 1988 года состоялся полет самолета Ту-155 с экспериментальным двигателем НК-88, работающим на жидком водороде (температура -253°C). Двигатель был установлен вместо штатного правого двигателя. Но работа над силовой установкой на жидком водороде была остановлена и разработчики переключились на более удобный в эксплуатации сжиженный природный газ - самое чистое и дешевое ископаемое топливо. Летающую лабораторию оснастили криогенным двигателем, работающим на жидком природном газе (температура -162°C), в январе 1989 года.

Ту-156 - грузопассажирская модификация среднемагистрального самолета Ту-154М, на котором установлены три двигателя НК-89, и в качестве топлива возможно использование сжиженного природного газа или традиционного авиакеросина. Основной особенностью конструкции Ту-156 является наличие двух криогенных топливных баков, один из которых размещен в хвостовой части фюзеляжа, а второй - под полом. Первый полет самолета Ту-156 должен был состояться в 2001 году.