Марков выбирает компоновку с почти низкорасположенным крылом, скорее, это было что-то среднее между низким и среднерасположенным крылом, со стреловидностью 55 градусов. Стреловидность горизонтального оперения была еще больше. Фюзеляж проектировался как цельнометаллический и изготавливался из алюминиевого сплава В95 и магниевого сплава МЛ5-74. Для усиления обшивки фюзеляжа использовались шпангоуты и стрингеры. Герметичная кабина экипажа оснащалась катапультными креслами К-22, опускающимися вниз, и находилась в передней части фюзеляжа, в которой размещались три члена экипажа: пилот, штурман и оператор управления вооружением. В задней части фюзеляжа размещался бомбовый отсек, в котором находились «кассетные бомбодержатели». Под фюзеляж ракетоносца подвешивалась частично выступавшая ракета дальнего действия класса «воздух-поверхность» «Китчен/АБ-4». На разведывательном Ту-22Р вместо ракеты устанавливались фотокамеры, закрепленные внутри фюзеляжа над смотровыми люками.
Топливо размещалось в прорезиненных баках: семь баков находились в фюзеляже, двенадцать – в крыле, которое состояло из центроплана и четырех внешних отъемных частей. В задней части фюзеляжа размещался контейнер с двумя парашютами, предназначенными для гашения скорости самолета при посадке. Органы управления самолетом были оснащены гидроусилителями с двумя дублирующими системами: одной механической, другой – электрической, которые могли использоваться при неисправности основной системы. Эти системы применялись для управления элеронами, рулями высоты и направления, а также закрылками. Наиболее необычной деталью внешнего вида самолета было расположение двигателей над задней частью фюзеляжа с обеих сторон от хвостового стабилизатора. Одноконтурные двигатели с газотурбинным ускорителем РД-7С спроектировал Петр Колесов в КБ моторостроения Добрынина в Рыбинске. Первоначально использовались двигатели ТРДФ-ВД7М со статической тягой 16 000 кг, позднее их заменили на двигатели РД7М2, обладающие большей тягой – 16 500 кг. Обычная бомбовая нагрузка составляла три тонны, но при уменьшении дальности полета самолет мог брать на борт до 13 тонн.
Проектирование и строительство самолетов с высокими летными характеристиками становилось все более и более сложным. Несмотря на первоочередной характер работ по новому самолету, на строительство опытного образца инженерам и техникам 156-го завода потребовалось почти четыре года. В феврале 1958 года опытный образец был готов. После доставки его в Жуковский, сборки и проведения наземных испытаний Юрий Алашеев совершил 21 июля на нем первый полет, который, к сожалению, стал последним.
На некоторых режимах полета он оказался сложным и трудным самолетом. При высоких дозвуковых скоростях расположение двигателя вызывало сильную турбулентность за стабилизатором, установленным под потоком истекающих газов, (позднее самолеты с реактивными двигателями в хвостовой части имели горизонтальный стабилизатор в верхней части киля, на 4-5 метров выше сопла). Плохая круговая видимость, в первую очередь при высоком положении носовой части во время захода на посадку, и высокая посадочная скорость, вызывавшие необходимость увеличения длины взлетно-посадочной полосы до 2 700 м, создавали для экипажа дополнительные трудности.
7 сентября 1959 года совершил свой первый полет второй опытный образец Ту-105А. Произошло это почти через год после того, как во время летных испытаний в авиакатастрофе, унесшей жизни трех членов экипажа, в том числе Алашеева, был потерян первый экземпляр самолета. Юрий Алашеев был удостоен звания Героя Советского Союза, высшей награды страны, за его выдающийся труд в деле создания и испытания самолетов.
В 1959 году ВВС размещают на Казанском заводе № 22 заказ на серийное производство самолета под наименованием Ту-22. Это был уже третий самолет под таким названием: ранее так обозначались Ту-79 (1948 год) и Ту-89 (1949 год), но ни один из них в серию не пошел. В Казани в период с 1959 по 1969 год было построено 311 самолетов. Кстати сказать, впоследствии появится и еще один Ту-22.
До принятия на вооружение десять Ту-22 участвовали в воздушном параде в День авиации в Тушине в 1961 году. Немного позднее в полетах отметились еще двадцать два таких самолета. В НАТО Ту-22 получил название «Блайндер». В эксплуатацию эти самолеты начали поступать в 1962 году; несмотря на то что Ту-22 предназначался на замену Ту-16, работа нашлась для обоих самолетов, и они оставались на вооружении вплоть до начала 90-х годов. В частях Военно-Воздушных Сил имелось пять основных модификаций самолета Ту-22: