В ходе испытаний были практически отработаны режимы скоростного (скорость 700-750 км/ч) и заторможенного воздушным винтом (скорость 500-550 км/ч) пикирования под углами до 70° Для обеспечения безопасного вывода из пикирования с постоянной перегрузкой самолет оснащался специальным автоматом.
Самолет демонстрировал отличную вертикальную и горизонтальную маневренность на малых и средних высотах, а также прекрасную маневренность по скорости - разгон и торможение. На расчетной высоте 1000 м коэффициент маневренной перегрузки достигал 3,5, а располагаемой продольной перегрузки - 0,49 единиц. Радиус виража составлял 400-450 м. Вертикальная скорость - 14,2 м/с. За один боевой разворот с высоты 1000 м самолет набирал до 1900 м. Мощная механизация крыла позволяла самолету устойчиво маневрировать при больших углах атаки.
Все это заметно облегчало летчику выполнение боевых задач, повышало эффективность противозенитного маневра и отражения атак истребителей противника.
Пилотажно-навигационное, радиосвязное, кислородное и другое оборудование позволяло выполнять боевые задачи одиночно и в составе группы в простых и сложных метеоусловиях днем и ночью на всех рабочих высотах до практического потолка.
Радиосвязное оборудование Ту-91 обеспечивало построение связи с пунктом наведения авиации, авиационными наводчиками, истребителями обеспечения, аэродромом вылета и самолетами внутри строя, что благоприятно сказывалось на эффективности управления штурмовиками в воздухе.
Хорошие взлетно-посадочные характеристики и наличие системы слепой посадки позволяли выполнять взлеты и посадки днем и ночью в простых и сложных метеоусловиях с грунтовых аэродромов ограниченных размеров. Для уверенного взлета и посадки самолету было достаточно полосы длиной 750- 800 м при ширине 25-40 м. Это повышало гибкость использования самолета в ходе боевых действий и расширяло его тактические возможности.
Отмечались и недостатки. Кабина экипажа оказалась несколько тесноватой для двух членов экипажа. Мешал воздухозаборник двигателя, проходивший посредине кабины. Штурману было неудобно работать с прицелом ПП-2. Отсутствие у летчика и штурмана естественного обзора назад в значительной степени затрудняло своевременное обнаружение истребителей противника и выполнение эффективного противоистребительного маневра. Угловое поле обзора прицела ПП-2 (назад-вверх и назад-вниз), при котором штурман мог обнаружить воздушную цель и выполнить прицеливание, не позволяло уверенно «ловить» активно маневрирующий истребитель и вести по нему прицельный огонь при существующих ограничениях по угловой скорости перемещения пушки в кормовой пушечной установке ДК-15. Более того, прицельная стрельба с эффективных дистанций (400-600 м) по самолету, летящему ниже по высоте на 100 м, практически была исключена.
Предлагалось усилить бронирование экипажа, заменить пушки калибра 23 мм в крыле для стрельбы вперед на более мощные калибра 30 мм, улучшить конструкцию контейнеров с реактивными снарядами и систему их подвески на самолет.
В 1955-1956 гг. параллельно с испытаниями и доводкой Ту-91 строился 2-й экземпляр самолета. По документам он проходил как «дублер» (самолет «91 »Д). На нем были отработаны серийные чертежи с учетом технологических особенностей завода №31, требований массового серийного производства и полученного опыта испытаний 1-го опытного экземпляра самолета. При этом вес пустого самолета удалось снизить на 475 кг.
Носовая часть фюзеляжа «дублера» в районе кабины экипажа была расширена на 70 мм и уменьшена строительная высота лонжерона кабины. За счет этого увеличился объем рабочего пространства мест летчика и штурмана. Одновременно на 50 мм подняли кресло штурмана, что улучшило условия работы с прицелом ПП-2. Визирную часть прицела ПП-2 с обтекателем переместили назад на 500 мм и подняли вверх на 50 мм. Обзорность задней полусферы улучшилась. Также расширились границы прицельной стрельбы из кормовой пушечной установки ДК-15. Бронирование кабины по левому борту в районе рабочего места летчика усиливалось. Крыльевые пушки АМ-23 заменили пушками НР-30 с боекомплектом по 50 снарядов на ствол. Контейнеры реактивных снарядов выдвинули вперед на 300 мм и перешли к их креплению непосредственно к крылу без пилона. Некоторым изменениям подверглись выхлопные сопловые трубы двигателя. Вместо РСБ-5 предполагалось установить более мощную и совершенную радиостанцию РСБ-70.
Параллельно постройке «дублера» в ОКБ-156 прорабатывались противолодочный и учебно-тренировочный варианты, а также самолет радиоэлектронной борьбы.
Сравнение с опытным штурмовиком Ил-40-2 показывает, что Ту-91 по определяющим летно-боевым качествам имел перед ним серьезное преимущество, хотя и создавался по другим тактико-техническим требованиям.