Изучив особенности боевого применения самолетов дальней авиации, состояние и перспективы развития систем бортового вооружения, радиоэлектронных комплексов навигации и управления самолетом и его системами, ОКБ совместно с ВВС принимают концепцию многорежимного самолета-носителя. Подобный самолет должен был быть приспособлен для выполнения сверхзвуковых высотных полетов, дальних полетов на дозвуковых скоростях и низковысотных полетов на трансзвуковых скоростях. При этом самолет должен был иметь лучшие чем его предшественники взлетно-посадочные характеристики. Наиболее полно достижению всей этой совокупности весьма противоречивых летно-тактических данных в одной конструкции отвечал самолет с изменяемой в полете стреловидностью крыла.

Работы над проектом дальнего ракетоносца "145" начались в ОКБ в 1965 году в инициативном порядке. Может быть именно поэтому тема на всех уровнях декларировалась, как глубокая модернизация Ту-22, хотя на самом деле проектировалась совершенно новая машина. Облик Ту-22М сложился не сразу. Согласно проекту по первому варианту, самолет выполнялся по схеме высокоплана с крылом изменяемой в полете стреловидности и с неподвижной средней частью крыла. Два двухконтурных двигателя с форсажными камерами устанавливались над задней частью фюзеляжа в общей большой мотогондоле с раздельными воздухозаборниками с вертикальным клином. Размещение и состав экипажа оставался прежним по типу Ту-22.

К концу 1965 года проект был переработан для устранения некоторых недостатков присущих самолетам семейства Ту-22. При сохранении общей компоновки, несколько изменили некоторые элементы конструкции. С целью уменьшения влияния фюзеляжа и крыла на работу силовой установки на больших скоростях, мотогондолу дополнительно подняли над фюзеляжем. Учитывая опыт эксплуатации Ту-22, кабину штурмана перенесли за кабину за пилота, кабину оператора сместили назад и развернули его лицом по полету, систему аварийного покидания экипажем самолета перевели на катапультирование вверх. Проведенные в ЦАГИ исследования выявили серьезные недостатки такой схемы размещения двигателей на больших скоростях полета. В результате к 1967 году появляется вариант самолета Ту-22М с размещением двигателей в хвостовой части фюзеляжа и с воздухозаборниками по бортам фюзеляжа.

Новое размещение двигателей потребовало внести существенные изменения в компоновку самолета. Самолет стал среднепланом, боковые прямоугольные воздухозаборники разместили на средней части крыла. Установка двигателей в хвостовой части фюзеляжа потребовало значительной перекомпоновки агрегатов самолетных систем и оборудования внутри фюзеляжа, по-новому пришлось размещать топливные баки. Так как предполагалось значительно увеличить дальность полета, решено было в состав экипажа ввести второго пилота и улучшить условия работы экипажа. В результате кабину значительно переделали, увеличив ее размеры и изменив размещение экипажа. Командира корабля и второго пилота разместили рядом в переднем отсеке, аналогичным образом во втором отсеке разместили штурмана-навигатора и штурмана-оператора. Особенности самолета с крылом изменяемой стреловидности заставили по-новому подойти к использованию и размещению органов управления самолетом: отказались от размещения элеронов на крыле, внедрили интерцепторы и дифференциально отклоняемый стабилизатор, для улучшения взлетно-посадочных характеристик на крыле установили предкрылки.

В дальнейшем в ходе проектирования и проведения совместных испытаний заказчик выставлял все новые и новые требования по расширению ударных возможностей комплекса, что приводило к постоянным работам по модернизации конструкции самолета. В результате к моменту завершения испытаний самолет значительно отличался от того, что закладывалось в его конструкцию на начальном этапе проектирования. Количество ракет увеличилось до трех, а бомбовая нагрузка до 24 тонн, на самолете установили навигационный комплекс, автоматическую бортовую систему управления, новое приборное оборудование, радиолокационное и пилотажное оборудование. Все это значительно расширило возможности Ту-22М, но привело к значительному увеличению времени на отработку новых агрегатов самолета и комплекса. Реально этот процесс охватил почти 10 лет.

Учитывая технические трудности создания современной эффективной ударной системы с высокими характеристиками самолета-носителя и, в частности, сложности с практическим освоением техники низковысотного полета, ВВС предлагало проводить разработку системы в два этапа. По первому этапу пилотажно-навигационное и прицельное оборудование соответствовало Ту-22, на втором этапе намечалось перейти на современное оборудование с элементами комплексирования. К середине 1969 года в Казани закончили постройку первого самолета Ту-22М0 с двигателями НК-144-22 по программе первого этапа. В августе начались испытания и доводки новой машины. Всего до 1972 года было построено десять самолетов Ту-22М0, пять из которых использовались для переучивания экипажей и наземного персонала на новую технику, а остальные участвовали в различных испытаниях. Летно-тактические характеристики Ту-22М0 не могли удовлетворить ни ВВС, ни ОКБ, поэтому еще до начала летных испытаний самолета началась работа по дальнейшей его модернизации.

Проектирование Ту-22М1 проводились в ОКБ в течение 1970 года. В ходе модернизации усилили наиболее слабые места в конструкции планера, одновременно провели ревизию конструкции самолета с целью облегчения массы пустого самолета. В результате удалось снизить массу самолета на 3 тонны. Улучшили аэродинамику некоторых частей самолета. Размах крыла вырос на полтора метра. По настоянию военных самолет был оснащен оборонительным вооружением - двумя дистанционно-управляемых 23-мм пушками ГШ-23Л. Новинкой явилась и окраска планера в серый цвет (нижняя поверхность фюзеляжа и крыла покрывались белой, "противоатомной" краской). Летом 1971 года начались летные испытания Ту-22М1. До конца 1972 года построили девять самолетов Ту-22М1, на которых провели большой объем испытаний по доводке, испытаниям систем навигационного и прицельного оборудования, ракетного и бомбового вооружения. Запускать в крупную серию Ту-22М1 не стали, так как его основные летные характеристики, полученные на испытаниях, оказались ниже требуемых.

Работы над дальнейшим развитием Ту-22М привели к созданию новой модификации Ту-22М2 с двигателями НК-22. Самолет проектировался как дальний ракетоносец-бомбардировщик с современным оборудованием (навигационный комплекс НК-45, автоматическая бортовая система АБСу-145М, панорамно-прицельная радиолокационная станция ПНА, телевизионный прицел ТП-1КМ, оборудование РЭП, и т.д.) варианте ракетоносца Ту-22М2 мог нести от одной до трех ракет типа Х-22М с различными типами ГСН. Головной Ту-22М2 совершил первый полет в мае 1973 года, совместные испытания и доводки проводились на нескольких машинах до 1975 года. По сравнению с Ту-22М1, летные характеристики Ту-22М2 практически остались на прежнем уровне.

В августе 1976 года Ту-22М2 принимается на вооружение Дальней авиации и авиации ВМФ. Ту-22М2 находился в серийном производстве до 1983 года. Общая оценка нового самолета со стороны летного и технического состава была положительная. Современное пилотажно-навигационное оборудование с широкими функциональными возможностями, а также введение второго пилота и более продуманная эргономика рабочих мест экипажа, позволили более качественно решать задачи пилотирования, навигации и управления ударным и оборонительным вооружением, поднять уровень безопасности полетов, уменьшить утомляемость экипажа при выполнении длительных полетов. Чувство уверенности у летных экипажей к новому самолету добавляла система аварийного покидания с катапультированием кресел вверх, снявшая ограничения по минимальной высоте аварийного покидания самолета, присущие Ту-22.

Хотя Ту-22М2 не был оснащен, как американский бомбардировщик B-1, системой автоматического огибания рельефа местности, он был способен совершать относительно продолжительные маловысотные полеты, уклоняясь от поражения средствами ПВО противника.

Появление в СССР нового дальнего ракетоносца-бомбардировщика Ту-22М вызвало большую озабоченность у руководства стран НАТО. Анализируя предполагаемые летно-тактические данные Ту-22М, западные специалисты приписывают самолету качества межконтинентального носителя, способного наносить удары по территории США. В результате Ту-22М стал одним из "камней преткновения" в переговорах по сокращению стратегических вооружений между СССР и США в семидесятые годы. После переговоров было принято решение в рамках ОСВ-2, по которому со всех Ту-22М, находившихся в строю, сняли оборудование заправки топливом в полете, что значительно ограничило возможности всего авиационно-ракетного комплекса. Кроме того по договору, США добились от СССР ограничения серийного производства Ту-22М на уровне тридцати машин в год.

В январе 1974 года было принято решение по дальнейшей модификации Ту-22М2 под двигатели НК-25 с улучшением конструкции и аэродинамики самолета. Новая модификация Ту-22М получила официальное обозначение Ту-22М3.