Опытный Ту-22К проходил испытания в ГНИКИ[** Государственный научно-испытательный Краснознаменный институт.] ВВС в Ахтубинске. Там в 60-х гг. одновременно находилось до трех Ту-22, основную работу на которых вели экипажи летчиков С.Л.Тимонина, Ю.М.Сухова и В.И.Кузнецова (последний за испытания Ту-22К на больших углах атаки получил 21.10.65 г. звание Героя Советского Союза). На некоторых этапах подключались и другие пилоты, в т.ч. заслуженный летчик-испытатель СССР А.Я Никонов. Он вспоминает: «...испытания ракетоносцев проходили очень тяжело как по собственно самолету, так и по пускам ракет. На сверхзвуке из-за неравномерного нагрева обшивки фюзеляж деформировался, что приводило к перемещению тяг управления бустерами. В результате рулевые поверхности отклонялись, вызывая большие кренящие и разворачивающие моменты. Для их парирования, к примеру, штурвал приходилось поворачивать иногда на 90°. В таких условиях не то что производить пуски - летать было опасно! Трудности были и по автопилоту, на программе испытаний которого погибли летчик-испытатель В.Ф.Черно-Иванов и оператор, уцелел только штурман. Еще один экипаж испытателей (летчик В.Корчагин, штурман Г.Пронин и оператор А.Санников) разбился после пожара в воздухе. На их самолете загорелся один двигатель, при этом приборы о пожаре не сигнализировали. После тревожного сообщения «Горишь!», поступившего от летчика из отряда космонавтов, невдалеке «крутившего пилотаж» на МиГ-15, командир попросил помощи у «земли», т.к. увидеть двигатели из-за особенностей конструкции экипаж не мог. С КП распорядились снизиться и пройти над вышкой, что и погубило летчиков. Увидев дым, руководитель полетов приказал набрать 2000 м и катапультироваться, но было уже поздно - при переводе в набор высоты самолет упал.
Хотя успешные пуски Х-22 и состоялись, опытный Ту-22К, по решению Госкомиссии. испытаний не выдержал. Возникла странная ситуация: серийно выпускается и поступает в части машина, не прошедшая госиспытаний. Но авторитет Андрея Николаевича тогда был непререкаем, связи мощны и надежны, посему и родилось компромиссное решение: как основной вариант принять на вооружение разведчик (последнему не требовалось осуществлять пуски ракет на сверхзвуке), а выпускаемые ракетоносцы постепенно дорабатывать. Все заказанные Ту-22К были построены и поступили в полки, где вскоре стали интенсивно биться, хороня под обломками экипажи. Известны случаи отказа летчиков служить на этих машинах. Лишь неоднократные доработки (в основном по системе управления в конечном итоге было выполнено 8 комплексов доработок) позволили исправить положение».[* В 1969 г. А.Я. Никонов перевелся из ГНИКИ на Казанский завод, где облетывал выпускавшиеся в то время спарки Ту-22УД, последний из серийно производящихся вариантов. Они имели усовершенствованную систему управления, и о пилотировании их он отзывается с большой теплотой. Всего же на Ту-22 Никонов выполнил 192 полета (374 летных часа).] Помимо указанных Никоновым трудностей, создатели Ту-22К столкнулись с ненадежной работой радиолокатора ПН, служащего для наведения ракеты на цель, и множеством других проблем. Доводка машины затянулась, и хотя она появилась в частях в 1965 г., на вооружение была принята лишь в 1967 г. Всего в Казани выпустили чуть более 70 таких ракетоносцев.
В конце 1960 г. был построен прототип учебно-боевого самолета Ту-22У. Кабину летчика- инструктора организовали над демонтированной кабиной воздушного оператора. Кормовая пушечная установка не устанавливалось, а ее место закрыли обтекателем. Объем переднего фюзеляжного топливного бака уменьшили. Функции оператора по обеспечению работы самолетного оборудования распределили между штурманом и инструктором. Испытания Ту-22У завершились в 1962 г., а в 1963 г. эти машины стали поступать в войска.