На основе исходного серийного Су-24 разработан ряд модификаций. Основным усовершенствованным серийным вариантом стал Су-24М, решение о создании которого было принято в апреле 1975 г. Опытный самолет Т68М, переоборудованный из Т6-8, совершил первый полет 24 июня 1977 г., серийное производство Су-24М развернулось в 1978 г. Основные усовершенствования Су-24М коснулись бортового оборудования: вместо «Пумы» установлен усовершенствованный прицельно-навигационный комплекс «Тигр», повысивший точность бомбометания и стрельбы с самолета, обеспечивший применение новых высокоточных боеприпасов. Экспортный вариант самолета Су-24М получил обозначение Су-24МК.
Другие варианты Су-24М включают разведчик Су-24МР (поступил на вооружение в 1982 г.) и постановщик помех Су-24МП.
В 1985 г. прорабатывался вариант Су-24ММ с увеличенной на 2 т взлетной массой и повышенной дальностью полета благодаря установке экономичных двухконтурных двигателей AЛ-31. От отличался установкой дополнительного воздухозаборника сверху фюзеляжа. Работы по Су-24ММ не вышли из стадии проектных исследований.
Помимо ВВС и ВМС стран СНГ, самолет поступил на вооружение ВВС Алжира, Ирака, Ливии, Сирии и Ирана. На начало 1993 г. в составе ВВС России находилось 540 самолетов Су-24. Ударная бомбардировочная авиация Украины на начало 1992 г. насчитывала 220 Су-24, в составе вооруженных сил Казахстана и Узбекистана также имеются бомбардировщики Су-24. После ухода российской армии в Азербайджане остались 16 самолетов Су-24 и МиГ-25. Но, по-видимому, часть техники, доставшейся Азербайджану, потеряна в ходе войны, другая вышла из строя по причине нехватки запчастей и неумелого обслуживания.
В начале 1992 г. Су-24 попал в заголовки газет, став действующим лицом крупного политического инцидента. 13 февраля 1992 г. шесть самолетов Су-24М перелетели с аэродрома на Украине (Староконстантинов Хмельницкой области) в Россию (Шаталово Смоленской области). Летчики прибыли с полковым боевым знаменем. Несанкционированный перелет осуществлялся через территорию Белоруссии, чтобы исключить возможность обнаружения самолетов радиолокаторами украинской ПВО. Причина перелета – нежелание офицеров принять присягу на верность Украине и служить в «жовто-блакитном» войске. Экипажи самолетов были оставлены в России, самолеты, по всей видимости, возвращены Украине, чтобы избежать выдвинутых Украиной обвинений в заранее спланированной акции угона. Впрочем, использовать эти машины в России было затруднительно, поскольку экипажи не захватили с собой паспорта, в которых отражались проведенные ранее по каждому самолету регламентные и ремонтные работы.
По концепции Су-24 во многом отличен от американского аналога F-111. Основные конструктивные особенности Су-24 в сравнении с F-111 заключаются в использовании нерегулируемых воздухозаборников двигателей и отсутствии бомбоотсека. Нерегулируемые заборники значительно упростили конструкцию самолета. Они не позволяют достигать «двух махов» на высоте, но это не имеет большого значения, поскольку Су-24 предназначен прежде всего для маловысотного полета. Американцы также пришли к этому, отказавшись от регулируемых воздухозаборников на маловысотном стратегическом бомбардировщике Рокуэлл В-1. У земли Су-24 благодаря высокой прочности конструкции, способной выдерживать большие скоростные напоры, может выходить на сверхзвук. F-111 также проектировался в расчете на достижение сверхзвука на малой высоте, но в реальной эксплуатации на малой высоте его скорость ограничена дозвуком.
Бомбоотсек дает самолету F-111 преимущества только при ядерном ударе. При использовании обычных боеприпасов эти преимущества теряются, поскольку бомбоотсек вмещает лишь две бомбы. Но в любом случае на оставшемся в настоящее время на вооружении варианте F-111F в бомбоотсеке вместо вооружения расположен контейнер с оптико-электронной системой. В отличие от F-111, на самолете Су-24 с самого начала предусматривалось использование управляемого вооружения, для чего в передней части фюзеляжа установлена встроенная оптико-электронная система, не препятствующая подвеске боеприпасов под средней частью фюзеляжа. Су-24 имеет существенные отличия и в подкрыльном размещении вооружения. На центроплане у борта фюзеляжа могут быть расположены наиболее тяжелые и крупногабаритные подвески, а на поворотной части крыла – монтироваться подвижный пилон с ограниченной грузоподъемностью. На F-111 все подкрыльевые пилоны располагаются под поворотными консолями крыла.