В январе 1974 года принимается решение по дальнейшей модификации бомбардировщика Ту-22М2 под двигатели НК-25 с улучшением конструкции и аэродинамики самолета. Кроме того, модернизация предусматривала оснащение самолета новыми аэробаллистическими ракетами. Новая модификация получила официальное обозначение Ту-22М3.

Воздухозаборники с вертикальным клином заменили на воздухозаборники с горизонтальным клином. Ввели новую удлиненную носовую часть фюзеляжа с измененной штангой топливозаправки. Заменили спаренную двухпушечную кормовую установку на однопушечную с улучшенной аэродинамической формой. Провели мероприятия по снижению массы пустого самолета: облегчили основные стойки шасси, отказались от раздвижной системы средней пары колес, ввели облегченный стабилизатор и укороченный руль направления, перешли на более легкие материалы и оборудование. Важным отличием Ту-22М3 от предыдущих модификаций стало использование в системе электроснабжения бесконтактных генераторов постоянного тока и интегральных гидромеханических приводов-генераторов переменного тока стабильной частоты. Провели изменения в элементах навигационного комплекса.

После выполнения программы летно-доводочных испытаний, начатой в июне 1977 года, Ту-22М3 с 1978 года запускается в серийное производство, которое продолжалось до 1993 года.

Испытания первых Ту-22М3 показали, что по своим летно-тактическим характеристикам самолеты новой модификации значительно превосходят Ту-22М2. Суммарная боевая эффективность возросла более, чем в два раза. Новые системы вооружения потребовали дополнительного времени на их доводку и испытания, поэтому в окончательном виде Ту-22М3 официально принимается на вооружение только в марте 1989 года.

Введение в состав прицельного комплекса аппаратуры разведки и целеуказания позволило довооружить Ту-22М противорадиолокационными ракетами. Еще в семидесятые годы применительно к Ту-22М2 начались работы по оснащению самолета аэробаллистическими ракетами малой дальности типа Х-15. В восмидесятые годы эти работы увенчались успехом - Ту-22М3 получил вариант ракетного вооружения с Х-15 на фюзеляжной многопозиционной катапультной установке и на крыльевых катапультных установках.

Многолетняя успешная эксплуатация комплекса Ту-22М3 позволяют говорить о нем как об уникальном средстве борьбы на сухопутных и морских театрах военных действий, в том числе против авианосных ударных групп, с возможностью применения средств массового поражения. Проведенные летно-тактических учения показали, что самолет может эксплуатироваться с оперативных аэродромов и уничтожать цели в оперативно-тактической зоне в условиях применения противником современных средств ПВО.

Учитывая большой остаточный ресурс имеющихся самолетов Ту-22М3, ОКБ продолжает работы по его дальнейшей модернизации, и Ту-22М еще долго будет составлять основу ударной мощи Дальней авиации и авиации ВМФ.