В январе 1956 года компоновочный макет рассматривался Госкомиссией. Однако оставался ряд "узких мест", да и в целом решение уступало туполевскому, чей самолет уже был выведен на испытания. В конечном счете выбор ВВС и МАП был сделан в пользу Ту-95К.
Первый серийный Ту-95К был выпущен уже в марте 1958 года. Производство самолета на заводе №18 продолжалось до 1962 года. Параллельно шел учебный вариант ракетоносца Ту-95КУ, служивший для переучивания экипажей и тренировок в работе с аппаратурой. Вместе с тем уже при испытаниях ракетоносца выявился его существенный недостаток - прибавка в весе самолета и громоздкая подвеска сократили дальность полета почти на 2000 км, из-за чего радиус действия комплекса стал уступать бомбардировщику. Даже с учетом дальнего пуска ракет, цели на территории США находились на пределе досягаемости Ту-95К, и то при условии их размещения на Крайнем Севере и Дальнем Востоке.
Уже в ходе испытаний, 2 июля 1958 года, вышло ПСМ, обязывавшее разработчиков принять меры к повышению характеристик самолета и комплекса в целом. ОКБ-156 и ВВС предложили улучшить дальность за счет дозаправки, во исполнение чего появилось ПСМ от 20 мая 1960 года, согласно которому доработанный самолет надлежало представить на госиспытания уже в 1-м квартале 1961 г.
Самолет Ту-95КД был оборудован системой универсальной заправки с телескопической штангой топливопри-емника и радиотехнической аппаратурой «Приток» для связи с заправщиком. Совместные испытания Ту-95КД завершились 30 января 1962 года, после чего самолет был поставлен на производство. По этому образцу переоборудовали и часть ранее выпущенных Ту-95К. Впоследствии все машины с системой дозаправки прошли модернизацию по типу Ту-95КМ с оснащением более современным связным и навигационным оборудованием. В его составе появилась новая пилотажно-на-вигационная система «Путь-1Б», автоматическое навигационное устройство АНУ-1А и курсовая система КС-6Д с доплеровским измерителем ДИСС-1, что
упростило управление и положительно сказалось на точностных характеристиках.
Первые самолеты-снаряды Х-20 были собраны опытным производством ОКБ-155 и заводом №256 в Дубне. Дубнинское предприятие обеспечивало и выпуск серии ракет для испытаний. Х-20 имела классическую самолетную схему моноплана со стреловидным крылом и оперением. Планер цельнометаллической монококовой конструкции выполнялся из алюминиевых сплавов; помимо Д-16, широко использовался высокопрочный прессуемый сплав В95, начинавший внедряться в авиастроении (В95 имел немецкое происхождение, под наименованием «3425» использовался еще в годы войны в конструкциях Юнкерса и Хейнкеля и достался нам вместе с трофеями). В95 обладал удельной прочностью в 1,5 раза выше обычного дюраля, позволяя создавать легкие конструкции с использованием прессованных профилей и штамповок, однако при чувствительности к концентраторам напряжений и переменным нагрузкам требовал соблюдения технологии для обеспечения усталостной прочности. В стыковых узлах и нагруженных деталях применялись хромансилевые стали.
Крупногабаритные силовые рамы фюзеляжа, балки и узлы крепления агрегатов выполнялись из легкого магниевого сплава. Поначалу заказ на магниевое литье разместили на специализированном литейно-механическом заводе в Балашихе, но там после первых же попыток отказались лить такие крупные и сложные тонкостенные детали, выдавая лишь заготовки, нуждающиеся в серьезной мехобработке -фрезеровке и расточке. Освоить их самостоятельное производство пришлось цеху №12, которым руководил В.Н.Леженин. В цехе установили плавильные печи большой мощности, новый техпроцесс магниевого литья в земляные формы отлаживался круглосуточно, с пробами и ошибками, но и с соответствующей аккордной оплатой. К концу марта 1961 года был налажен выпуск литых изделий без дефектов, внедрили также их пропитку герметизирующим лаком для защиты от коррозии.
Крыло площадью 25,14 кв.м и стреловидностью 55 град, по линии фокусов имело сверхзвуковой профиль с относительной толщиной 6% (для сравнения - корневой профиль крыла МиГ-19 имел 12% толщину). Для снижения трудоемкости литым выполнялся и ряд агрегатов планера, включая крыло и оперение. Одновременно это способствовало повышению точности и чистоты аэродинамических обводов. Решение было предложено сотрудником НИАТ Е.С.Стебаковым, вместе с главным инженером завода Ю.И.Шукстом занимавшимся созданием технологии литья тонкостенных панелей методом выжимания. Полученные тонкостенные отливки следовало термообрабатывать, но их сильно коробило с "поводкой" формы и размеров. Для предотвращения деформаций их стали загружать в термическую печь "закованными" в цельную стальную остнастку, получая чистовые готовые изделия с заданными контурами, не требующими мехоб-работки.