На заводе «Опыт» Авиационного научно-технического комплекса и в ЦАГИ в Жуковском из деталей, изготовленных на серийном заводе в Казани, были построены два опытных образца, а также планер для проведения статических испытаний. Центропланы доставили в Жуковский речным транспортом, а крылья закрепили под фюзеляжем Ту-95, и летчик Иван Ведерников в таком виде привез их в Жуковский. Очевидцы говорят, что взлет Ту-95 с подвешенными крыльями «был интересный»… Как всегда, после изготовления фюзеляжи были разобраны и доставлены в Жуковский; здесь, на испытательной базе ОКБ Туполева, их собрали и состыковали с крыльями.
После завершения сборки 26 ноября 1981 года самолет выкатили из ангара. Как раз здесь, рядом с двумя Ту-144, его и обнаружил спутник, который в этот момент производил съемку района. Когда в КГБ увидели эти безупречные по качеству снимки, решили, что съемка производилась с крыши одного из зданий на территории испытательной базы в Жуковском. Было начато расследование. Тщательно изучив снимки, следователи пришли к выводу, что угол съемки не соответствует первоначальному предположению. Затем, после подробного анализаграфиков возможных пролетов спутников, посчитали, что ни в одном пролете солнце не могло находиться в том положении, в каком было на фотографии. Наконец более тщательный анализ пролетов спутника позволил ответить и на этот вопрос. После этого ни один новый самолет не выкатывали из ангара в дневное время, хотя испытательные полеты проводились как днем, так и ночью.
По фотографиям, путем сравнения Ту-160 с Ту-144, размеры которого были известны, специалисты западных разведслужб определили размеры Ту-160, самого большого на тот момент в мире бомбардировщика.
Первый полет опытного образца Ту-160, получившего в НАТО условное обозначение «Блэкджэк», с экипажем летчика-испытателя Бориса Веремея, состоялся в Жуковском 19 декабря 1981 года, в день рождения Генерального секретаря ЦК КПСС Леонида Брежнева. Поскольку заводские и летные испытания проходили успешно, командование ВВС принимает решение о строительстве для Военно- Воздушных Сил 100 таких самолетов. Задание на строительство было выдано Казанскому самолетостроительному заводу. Летные испытания первого серийного самолета проводились одновременно с двумя другими самолетами, построенными на заводе № 156, в Жуковском на летно-испытательной и доводочной базе ОКБ Туполева. Третий серийный самолет разбился из-за неисправности двигателя при взлете. К счастью, обошлось без жертв.
Ту-160 поступил на вооружение Военно-Воздушных Сил в мае 1987 года, когда первые самолеты прибыли в 184-й гвардейский бомбардировочный авиационный полк, дислоцированный вблизи города Прилуки на Украине. Туда поступило 19 самолетов, из которых были сформированы две эскадрильи. Вторая база была создана в 1991 году вблизи города Энгельс в Саратовской области России. Первая эскадрилья на этой базе должна была полностью укомплектоваться в 1992 году, но изменение политической обстановки позволило поставить в 160-й бомбардировочный авиационный полк всего четыре самолета.
В августе 1988 года министр обороны США Карлуччи стал первым иностранцем, которому было позволено сесть в кабину Ту-160, прилетевшего по этому случаю на военный аэродром в Кубинке. Забираясь в кабину, он ударился головой о приборную доску. С тех пор ее стали называть «приборной доской Карлуччи».
Первый раз Ту-160 побывали за пределами Советского Союза в мае 1991 года. Два самолета долетели до мыса Нордкап в Северной Норвегии, а затем до города Тромсе на норвежском западном побережье. В полете они были перехвачены самолетами F-16 королевских ВВС Норвегии, которые сопровождали их в течение некоторого времени.
Изменения политического и экономического климата в Советском Союзе не могли не сказаться и на программе работ по Ту-160. В начале 1992 года новый российский президент Борис Ельцин объявил о прекращении выпуска самолетов Ту-160. Источники в Министерстве обороны отмечают, что заказ на их производство был сокращен со 100 до 40 единиц, но фактически было построено только 30 самолетов, включая и те, которые строились в конструкторском бюро. В 1994 году командующий ВВС генерал-полковник Петр Дейнекин заявил, что военная авиация дальнего действия находится в финансовом кризисе и поэтому нужен более дешевый бомбардировщик с лучшими летными характеристиками.