Ту-22М оборудовали автоматической системой управления, однако предусматривалось, что управлять самолетом можно и вручную. Гидромеханическая система с дублирующей электромеханической позволяла изменять стреловидность крыла в полете. Стреловидность крыла плавно изменялась от 20 градусов на малой скорости до 65 градусов на высокой. Основные опоры шасси оснастили тележками с тремя парами колес. Передняя опора имела спаренное колесо на одной оси. Основные опоры шасси убирались в нижнюю часть фюзеляжа. Органы управления самолетом включали цельноповоротный горизонтальный стабилизатор, впервые примененный на самолетах ОКБ Туполева. Предкрылки были предусмотрены по всей длине крыла, а щелевые закрылки состояли из трех секций. Даже с такой механизацией крыла посадочная скорость самолета достигала 285 км/час, скорость при взлете – 370 км/час. Дистанция разбега при максимальном взлетном весе составляла 2 100 м, а пробег при посадке – от 1 200 м до 1 300 м.
Вопреки заведенному в ОКБ Туполева правилу, опытный образец Ту-22М построили в Казани на заводе № 22. Постройка была закончена в июле 1968 года, и после испытаний двигателя и проведения наземных испытаний 30 августа состоялся первый полет. Самолет пилотировал летчик-испытатель В.Боровой. Всего было построено девять самолетов модели МО (так назывался опытный образец), и все они приняли участие в программе заводских и государственных испытаний. Тем временем Марков уже разрабатывал вариант Ml, который оснащался оборудованием для выполнения задач ВМФ. Наиболее заметные различия между вариантами МО и Ml состояли в том, что у МО размах и площадь крыла были меньше, вариант МО имел более широкую колею шасси, на этом самолете отсутствовала хвостовая пушка. В свою очередь, Ml имел пушку ГШ23М, дистанционно управляемую по радио и с помощью автономной телевизионной системы управления. Первый свой полет Ml совершает 28 июля 1971 года. Всего было построено девять Ml, и все они использовались как доводочные для отработки требований технического задания на самолет морской авиации. Семь самолетов поступили на вооружение полков морской авиации в качестве патрульных и разведывательных самолетов.
На Западе о Ту-22М и его крыле с изменяемой стреловидностью узнали в 1969 году по докладам разведки. В 1970 году самолет был сфотографирован на земле в Казани с помощью разведывательного спутника. После этого в НАТО он получил условное наименование «Бэкфайер».
Ту-22М поступил на вооружение строевых частей ВВС в 1976 году. Несмотря на то что в процессе испытаний и ввиду изменений требований военных серийный самолет подвергся существенной модификации, в Казани уже полным ходом шло его производство. Основные изменения коснулись модернизации летного оборудования, навигационных систем и систем оружия. В отличие от предшествующего образца «Бэкфайер А», серийный самолет получает обозначение Ту-22М2 и условное наименование в НАТО «Бэкфайер В». Внешние отличительные признаки серийного самолета заключались в наличии спаренной пушки ГШ-23 в хвостовой части и ракетного снаряда Х-22, который в полуутопленном положении размещался в бомбовом отсеке. Массовое поступление Ту- 22М2 на вооружение частей ВВС началось в 1978 году. Самолеты базируются в Европейской части России, на Севере и в Сибири. В ВМФ они совершают полеты из Мурманска, из района Черного моря и с Тихоокеанского побережья.
В результате еще одной модернизации появился самолет Ту-22М3. Главной отличительной чертой этой модификации стали более мощные двигатели. На Ту-22М2 и еще более ранних вариантах устанавливали двигатели Кузнецова НК-22, создающие с форсажной камерой взлетную тягу 22 000 кг. Новые двигатели НК-25 с форсажной камерой увеличивали взлетную тягу до 25 000 кг. Это обстоятельство привело к появлению воздухозаборников новой конструкции, подобных воздухозаборникам на МиГ-25, с горизонтальным клином в направлении нижней части фюзеляжа. Максимальная тяга двигателя НК-25 – 14 500 кг. Изменения в составе оборудования заключались в установке новой бортовой электронной аппаратуры, оптико-электронных прицелов для бомбометания, инерциальной навигационной системы, активной и пассивной аппаратуры радиоэлектронного противодействия, новых радиостанций УКВ-диапазона и системы приема-передачи шифрованных сообщений.