Как и на «нулевку», на испытания и доводку первой модификации ушло четыре года. За это время на ММЗ «Опыт» разработали (тоже без санкции правительства) серийный вариант Ту-22М2, с которого начались поставки боевых машин в строевые части. Самолет внешне не отличался от предшественников, но состав его оборудования претерпел серьезные изменения. Для повышения ударной мощи ракетного комплекса в состав его вооружения ввели третью ракету Х-22М. Нормальная бомбовая нагрузка (в грузовом отсеке) задавалась 3000 кг, но в перегрузочном варианте с учетом внешней подвески она достигала 24 т.
По расчетам самолет с двигателями НК-22 тягой по 22 000 кгс и одной ракетой Х-22М должен был развивать скорость до 2150 км/ч, летать с крейсерской дозвуковой скоростью на расстояние до 5800 км, а с одной дозаправкой 15 т топлива в полете – на 7300–7800 км. При этом его разбег не должен был превышать 2500 метров.
Ту-22М2 опробовали в полете в 1973 году, а 23 ноября потеряли первую машину седьмой серии № 701. Командир экипажа заводской летчик-испытатель Герой Советского Союза Г.К. Сасин явно поторопился с принятием решения. Дело в том, что на маршруте в кабине появился дым. Как потом выяснилось, загорелся трансформатор устройства обогрева стекол кабины.
В полете при пожаре экипаж действовал строго по «Инструкции экипажу». Выполнение задания прекратили и стали готовиться к посадке на запасной аэродром, подтянув и застопорив ремни привязной системы для возможного катапультирования, и только Б.В. Машковцев ослабил ремни до предела, чтобы достать огнетушителем до приборной доски, из-за которой шел дымок. Одновременно бортрадист поочередно отключал электрические сети, чтобы определить причину и обесточить загоревшуюся аппаратуру.
В процессе захода на посадку на высоте около 600 метров радист отключил преобразователь ПТ-36, питающий рулевые приводы. При этом рули резко заняли нейтральное положение, и самолет перешел в пикирование. Командир корабля Г.К. Сасин видел, как Б.В. Машковцев пытался достать ручки катапультирования, но не смог, так как его из-за отрицательной перегрузки прижало к фонарю, поскольку ремни привязной системы были ослаблены. В том полете погибли штурман В.Ф. Мещеряков и Герой Советского Союза Б.В. Машковцев.
В следующем году при передаче Ту-22М2 (№ 403) заказчику на государственные испытания произошла серьезная авария. Программу летных экспериментов по определению максимального веса машины на случай отказа одного из двигателей на взлете разделили на несколько этапов. Первый вылет выполнили с минимальным весом. Пилотировали машину летчики-испытатели Б.Л. Львов (НИИ ВВС) и Б.И. Веремей (ММЗ «Опыт»).
Планировалось, обработав информацию, полученную в предыдущем полете, и определив вертикальную скорость, постепенно увеличивать взлетный вес машины. Но при подготовке одного из последующих полетов допустили серьезную ошибку, пропустив один из этапов. Хотели выиграть время, а потеряли самолет и, как выяснилось впоследствии, сократили жизнь Б.И. Веремея.
Тяжелая машина, оторвавшись от ВПП, набрала около 50 метров. Попытка разогнать бомбардировщик и перевести его в набор высоты привела лишь к его торможению. Не помогла даже уборка шасси и закрылков. Наоборот, с убранной механизацией крыла самолет стал медленно и верно терять высоту.
В итоге Ту-22М2 упал в поле на одиноко стоявший трактор. К счастью, кабина экипажа при ударе оторвалась и отлетела вперед, а самолет, застрявший в гусеничной машине, загорелся и взорвался.
До сих пор в ряде публикаций пытаются возложить вину на произошедшее на военного летчика-испытателя Б.Л. Львова, аргументируя это воспоминаниями Б.И. Веремея. В частности, в газете «Жуковские вести» автор статьи о Борисе Ивановиче писал: