В целом машина соответствовала техническим условиям на поставку и приемку Ту-95К, за исключением длины разбега, доходившей до 3090 метров (задано 2700 м), и скорости отрыва 308–317 км/ч. Определить же максимальные скорости самолета не удалось из-за запрета на использование максимального режима работы двигателей. Выяснилось также, что противообледенительная система защищала крыло, оперение и винты лишь до температуры наружного воздуха – 10 градусов по Цельсию. Были и другие дефекты, вполне устраняемые промышленностью.
По технике пилотирования, характеристикам устойчивости и управляемости самолет Ту-95К как с ракетой, так и без нее практически не отличался от Ту-95М. Дальность ракетоносца при взлетном весе 182 тонны и с пуском Х-20М в середине маршрута достигала 13 400 км.
С начала разработки комплекса до его принятия на вооружение прошло шесть лет. Срок немалый, учитывая, что техника в те годы развивалась «семимильными шагами». За эти годы комплекс успел морально состариться, и прежде всего из-за недостаточной дальности носителя.
Первые три серийные машины передали в 1006-й тяжелобомбардировочный авиаполк, дислоцировавшийся около г. Узин (Украина). Затем они появились на аэродромах Северного Кавказа (г. Моздок), Казахстана (г. Семипалатинск) и Дальнего Востока (Украинка), но их дальности для броска на Западное побережье США и возврата домой явно не хватало. Чтобы избежать переброски Ту-95К на передовые аэродромы в районе Мурманска и Анадыря, потребовалось значительно увеличить дальность носителя. Добиться этого можно было лишь путем оснащения самолетов устройствами дозаправки топливом в полете.
Работа в этом направлении началась еще летом 1958 года после выхода июльского постановления правительства. Эскизный проект будущего Ту-95КД заказчик не рассматривал, но в декабре 1959 года главком ВВС утвердил его макет. Первый самолет оборудовали системой дозаправки топливом в полете по схеме «Конус» в 1960 г. Им стал серийный Ту-95К (заводской № 9802103, выпущен в сентябре 1959 г.). Машину укомплектовали телескопическим топливоприемником и аппаратурой радиовстречи «Приток». При этом вес пустого самолета возрос более чем на 1300 кг.
Общий объем заправляемых баков позволял принимать до 60 000 литров горючего (49 800 кг при плотности 0,83 кг/л).
Спустя год, с 5 июля по 8 сентября, самолет прошел заводские испытания, и после доработок, занявших меньше месяца, 30 октября начались государственные испытания. Ведущими по машине были инженер Е.А. Рогожин и летчик Г.М. Бархатов. При дозаправке от танкера М-4 на высотах 7000–9000 м и приборной скорости 470–510 км/ч Ту-95КД получал за 18 минут до 30 700 кг горючего. При одной дозаправке на пути к цели радиус действия достигал 8300 км, а при двух (вторая на обратном пути) – 9300 км. Практическая же дальность Ту-95К, проверенная на машине № 2004 с 5-процентным остатком топлива, не превышала 13 400 км, радиус, соответственно, – 6700 км.
Серийные самолеты, оборудованные устройствами дозаправки топливом в полете, получили обозначение Ту-95КМ (изделие «ВКМ»). К началу 1960-х годов самолетами Ту-95 были укомплектованы пять полков, дислоцировавшихся, в частности, в Моздоке (Северная Осетия), Семипалатинске (Казахстан), Узине (Украина) и Украинке (Дальний Восток).
В 1962 году обновили и расширили состав оборудования Ту-95КМ. Несмотря на это, низкая эффективность К-20 и большая стоимость (по сравнению с баллистической ракетой Р-7А) способствовали быстрому моральному старению комплекса. Под обозначением Ту-95КМ он прослужил до середины 1970-х годов. Серийное производство Ту-95К началось в 1958 году и продолжалось до середины 1960-х годов. Только за первые пять лет завод № 18 сдал заказчику 57 ракетоносцев.
В дальнейшем большинство этих самолетов доработали в вариант Ту-95КД (изделие «ВКД»), сохранявшийся на вооружении до середины 1980-х годов, после чего часть самолетов переоборудовали в учебные, а остальные – утилизировали.
Еще в начале 1960-х годов, после пресечения полета американского летчика Ф. Пауэрса, стало ясно, что стратосфера больше не является защитой для бомбардировщиков от средств ПВО. В 1964 году проводились исследования по определению возможности низковысотных полетов (от 50 до 200 метров днем и от 200 до 300 метров ночью), в том числе и на Ту-95КМ, позволившие расширить диапазон его боевого применения машины.
В июне 1964 года, после удачных пусков крылатой ракеты Х-22, по инициативе ГКАТ ОКБ-156 поручили доработать системы Ту-16К-10 под ракету К-10С, а Ту-95К-20 – под Х-22. Последний комплекс получил предварительное обозначение К-95. При этом оговаривалось использование и ракеты Х-20М.