Самолеты Ту-104 продолжали использоваться для перевозки пассажиров вплоть до 70-х годов. С поступлением в октябре 1973 года во Внуково новых самолетов Ту-104 начинают снимать с пассажирских авиалиний. Еще через два года в Иркутске заканчивает свою карьеру пассажирского самолета последний Ту-104, однако все самолеты продолжают оставаться в эксплуатации. Несколько экземпляров передается в Военно-Воздушные Силы, другие, после изъятия из «Аэрофлота», переоборудуются. Ту-104 используются для перевозки высокопоставленных лиц, в качестве летающих лабораторий, а также для тренировки космонавтов: в таких полетах Ту-104 сначала набирал высоту, затем газ сбрасывался, самолет снижался до 1 000 м, имитируя невесомость, потом опять набирал высоту и повторял все сначала. Это, естественно, создавало высокие нагрузки на корпус и значительно сокращало срок службы самолета. Использование самолета в армии прекратили после авиакатастрофы 7 февраля 1981 года, когда неправильно загруженный и перегруженный Ту-104А (бортовой номер 76600402) из состава ВВС Тихоокеанского флота, возвращавшийся в Хабаровск, разбился при взлете из аэропорта Пулково под Ленинградом. В результате катастрофы погибли шесть членов экипажа и 45 пассажиров. Хотя авиакатастрофа квалифицировалась как следствие неправильной загрузки, тот факт, что среди погибших находились заместитель командующего Тихоокеанским флотом, командующий и начальник штаба ВВС Тихоокеанского флота, привел к запрету полетов остальных самолетов. В Военно-Воздушных Силах не подтвердили сведения о том, что два Ту-104 продолжали находиться в эксплуатации на Чкаловском аэродроме до конца 80-х годов.
Последний известный полет Ту-104 состоялся II ноября 1986 года: самолет с бортовым номером СССР-42322 взлетел с аэродрома в Шереметьево и приземлился в Ульяновске в музее «Аэрофлота». На церемонии проводов в Шереметьеве присутствовал министр гражданской авиации Борис Бугаев, который за тридцать лет до того был одним из пилотов на первом Ту-104. Будущий министр говорил тогда, что «на Ту-104 сможет летать любой опытный пилот»/.
В течение всего периода эксплуатации на Ту-104 продолжались исследования, в том числе нагрузочные испытания. На разрушение испытывались три снятых с эксплуатации самолета и крылья пяти других машин. Испытания подтвердили: 35 000 летных часов или 15 000 взлетно-посадочных циклов – вполне реальные цифры. Один Ту-104Г (переоборудованный Ту-16) был оснащен большим количеством исследовательской аппаратуры и в ГосНИИГА служил метеорологической лабораторией Гидрометеослужбы, в которой испытывались метеорологические системы. Он использовался на Кубе для контроля грозы и ураганов и назывался «Циклоном».
Самолет с бортовым номером СССР-42400 совершил самое большое количество взлетов и посадок – свыше 18 000, при этом никаких сколько-нибудь значительных повреждений конструкции отмечено не было. Первый полет с пассажирами был совершен на самолете с бортовым номером СССР-Л5412. После 8 000 взлетно-посадочных циклов, когда самолет находился в середине срока эксплуатации, его сняли с авиалинии и испытали на признаки усталости конструкции. Позднее другой Ту-104 получил его номер и был установлен во Внукове, где и находится до сих пор (по состоянию на середину 1995 года).
Андрей Николаевич Туполев считал для себя обязательным встречаться и знакомиться со всеми первыми пилотами «Аэрофлота», начинавшими летать на Ту-104; в то время между двумя авиационными министерствами особого взаимодействия не было, и летчики по сей день с гордостью вспоминают эти встречи.
Один Ту-104А был построен в Омске в 1958 году в качестве опытного военно-транспортного самолета и имел обозначение Ту-107. В серийное производство он не запускался.
Проект «105» – Ту-22 (Условное наименование НАТО: «blinder»)
Бурное развитие самолетов и авиационных двигателей после Великой Отечественной войны наглядно иллюстрируется решением, которое приняло командование ВВС: заказать конструкторам разработку нового бомбардировщика дальнего действия на замену Ту-16 «Бэджер», едва только последний начал поступать в середине 50-х годов в строевые части.
Дмитрий Марков вновь назначается главным конструктором. Ему предстоит создать новый двухдвигательный бомбардировщик – ракетоносец дальнего действия, способный выполнять, кроме прочего, и задачи воздушной разведки. Новый самолет должен быть способен кратковременно преодолевать звуковой барьер. В конструкторском бюро разработка получила обозначение Ту-105.