Согласно заданию Ту-91 предназначался для бомбометания с пикирования по кораблям, военно-морским базам и береговым сооружениям, торпедометания по боевым кораблям и транспортам, штурмовым ударам по высадочным средствам и живой силе морского десанта противника, а также бомбометания по различным целям с горизонтального полета.
Ведущим конструктором по Ту-91 был известный авиаконструктор В.А. Чижевский, имевший большой опыт самостоятельной работы. На начальном этапе проектирования самолета все работы по нему консультировал П.О. Сухой, который после расформирования в ноябре 1949 г. ОКБ-134 был назначен заместителем главного конструктора завода №156 А.Н. Туполева.
Ведущим инженером по летным испытаниям от ОКБ-156 был Г.В. Грибакин. Летал экипаж в составе летчика-испытателя Героя Советского Союза Д.В. Зюзина и штурмана-испытателя К.И. Малхасяна.
Впервые в воздух самолет «91» (Ту-91) поднялся 2 сентября 1954 г. Государственные летные испытания самолета по основной программе на определение летно-тактических данных (1-й этап) завершились 22 апреля, а испытания на боевое применение (2-й этап) - 26 июня 1955 г. В январе 1956 г. с успехом завершил совместные государственные испытания по дополнительной программе.
От ГК НИИ ВВС в государственных испытаниях участвовали Герой Советского Союза подполковник А.Д. Алексеев, от НИИ-15 ВМС - майор Н.И. Сизов.
Двигатель ТВ-2М на базе двигателя ТВ-2Ф с выносным редуктором и удлиненным валом для самолета Ту-91 отрабатывался в ОКБ-19, которым после смерти А.Д. Швецова руководил его ученик П.А. Соловьев. В это ОКБ, ввиду большой загрузки ОКБ Н.Д. Кузнецова приоритетными программами, была передана программа по доводке и развитию двигателя ТВ-2Ф.
Для сокращения сроков испытаний Ту-91 силовая установка с двигателем ТВ-2М (вместе с отсеком передней части фюзеляжа) отрабатывалась на летающей лаборатории Ту-4ЛЛ, а все реактивное вооружение сначала было отлажено стрельбой в воздухе на Ту-14.
Самолет Ту-91 представлял собой свободнонесущий моноплан с низкорасположенным прямым крылом трапециевидной формы достаточно большой относительной толщины и стреловидным хвостовым оперением.
Применение крыла кессонной конструкции весьма благоприятно сказывалось на боевой живучести самолета, поскольку, как показывали полигонные отстрелы, крыло такого типа оказалось наиболее стойким к воздействию боеприпасов авиационного и зенитного вооружения.
Конструкция планера Ту-91 разрабатывалась с учетом требований массового производства. Для этого планер делился на большое число самостоятельно собираемых из подборок и панелей агрегатов, а в технологических процессах изготовления крупных деталей широко применялись горячая штамповка и литье. Как следствие, заметно сокращались производственные циклы, снижалась трудоемкость производства.
Турбовинтовой двигатель ТВ-2М с удлиненным валом размещался в районе центра тяжести самолета сразу за кабиной экипажа. Вал двигателя проходил через кабину между сиденьями летчика и штурмана. В носовой части фюзеляжа самолета устанавливался двухступенчатый планетарный редуктор, который вращал в противоположные стороны два соосных трехлопастных винта типа АВ-44 (диаметр 4,4 м) конструкции ОКБ-120. Крутящий момент в редукторе поровну делился между винтами. Редуктор и двигатель жестко соединялись между собой при помощи силовой трубы диаметром 220 мм. Внутри этой трубы проходил промежуточный вал, установленный на двух шарикоподшипниках. Весь этот узел крепился к самолету в четырех точках: две - впереди на редукторе и две - на самом двигателе. Такое решение освобождало конструкцию самолета от воздействия крутящего момента двигателя, передаваемого на редуктор. Выхлопные газы выводились в стороны по бортам фюзеляжа через раздвоенное выхлопное сопло.
Наличие жесткой связи турбины двигателя с компрессором и с воздушным винтом позволило реализовать торможение самолета винтом при любых условиях полета, в том числе, при пикировании и на посадке. При вводе в режим торможения двигатель переводился на малый газ, а лопасти винта - на малые установочные углы, при которых получались отрицательные углы атаки этих лопастей. Набегающий воздушный поток раскручивал лопасти винта, благодаря чему создавалось большое лобовое сопротивление. Так, при пикировании с торможением винтом отрицательная тяга винта достигала около 10000 кг, что «удерживало» самолет от разгона, обеспечивая пикирование с постоянной скоростью в оптимальном диапазоне скоростей. Это значительно улучшало условия прицеливания, стрельбы и бомбометания, а также позволяло пикировать с небольших высот под большими углами, что обеспечивало повышенную точность стрельбы и бомбометания. Кроме того, такой режим допускал выполнение посадки на аэродромы ограниченных размеров.