В мае 1961 г. появился прототип разведварианта Ту-22Р. Самолет предназначался для ведения аэрофоторазведки в любое время суток, топографической аэросъемки, радиотехнической и радиолокационной разведки с помощью аппаратуры «Ромб» и РЛС «Рубин-1 А». В бомбоотсеке в различных комбинациях устанавливались фотоаппараты: АФА-40, АФА-41/20, АФА-42/20, АФА-42/75, АФА-42/100 и НАФА-МК-75. Разведчик легко переоборудовался в бомбардировщик. Вместо фотооборудования монтировались бомбодержатели необходимого типа, прицеливание осуществлялось с помощью РЛС «Рубин-1 А» или прицела ОПБ-15. Для индивидуальной защиты при прорыве ПВО Ту-22Р оснащался автоматами постановки пассивных радиопомех КДС-16, расположенными в тыльной части гондол основных опор шасси. В поздних сериях выпуска разведчики, как и другие боевые модификации Ту-22, не оснащались кормовой стрелковой установкой. На ее месте ставилась закрытая обтекателем станция постановки активных радиопомех СПС-151 (на некоторых машинах СПС-152 или СПС-153). Поздние машины отличались составом аппаратуры радиотехнической разведки и имели дополнительные антенны в наплыве крыла и на фюзеляже. Ту-22Р могли применяться в качестве самолетов РЭБ, для чего в бомбоотсеке предусматривалась установка автомата АПП-22. В 1962 г. разведчики начали поступать в авиаполки.
Для прикрытия боевых порядков Ту-22К в 1961 г. создали специализированный самолет РЭБ Ту-22П. Спецаппаратура располагалась внутри фюзеляжа и в подвесном контейнере. От Ту-22Р эти самолеты внешне отличались обтекателями антенн за кабиной и в передней кромке наплыва крыла. Всего выпустили около 30 Ту-22П-1 и П-2 (в каждом полку Ту-22К имелась одна эскадрилья Ту-22П). В ходе эксплуатации ряд самолетов был доработан и появились Ту-22П-4, Ту-22П-6 и Ту-22П-7. Варианты отличались составом аппаратуры, типами внешних контейнеров, количеством и формой антенн.
В 1962 г. вышло постановление Совмина о создании противорадиолокационного ударного комплекса на основе ракеты Х-22П. Доработанные под эту программу ракетоносцы получили обозначение Ту-22КП. На них устанавливались системы целеуказания «Курс-Н» либо «Курс-НМ», антенны которых первоначально располагались справа на носовой части фюзеляжа либо на штанге топливоприемника, а позже были убраны внутрь фюзеляжа.
С 1965 г. на Ту-22 стали устанавливать более мощные двигатели РД-7М2. С новой силовой установкой максимальная скорость «двадцать второго» возросла до 1600 км/ч, достигнув наконец заданной в ТТЗ величины.
Для улучшения взлетных характеристик на все Т -22 можно было устанавливать четыре ракетных ускорителя СПРД-63. При нормальной взлетной массе длина разбега сокращалась с 2300 до 1000 м. Испытания с ускорителями прошли в начале 60-х гг. без особенных проблем. По словам Никонова, «и без того «не тихий» самолет ревел так, что оказавшимся поблизости приходилось обхватывать голову руками и быстро «утекать» как можно дальше. Акустические впечатления дополняли многометровые язьікі<і пламени, вырывавшиеся из ускорителей».
С 29-й серии на Ту-22 не устанавливался фюзеляжный топливный бак №1.
Начиная с 4 самолета 35 серии, основные стойки шасси стали устанавливать на упругой подвеске. Гондола шасси теперь могла колебаться в пределах, ограничиваемых системой подвески. Это увеличило критическую скорость флаттера крыла в 1,5 раза и позволило демонтировать в законцовках противофлаттерные грузы.
В 1962 г. самолеты с серийными №№ 801 и 901 в экспериментальном порядке оснастили системами дозаправки в воздухе. По воспоминаниям Никонова, их испытания, включавшие «многократные «контакты» с Ту-16 в варианте заправщика», прошли успешно. С 1965 г. такие системы стали устанавливать на все выпускавшиеся самолеты, и кобозначению машин добавилась буква «Д» - дальний. Так возникли Ту-22РД/КД/КПД/ПД/УД.