С 1 января 1965 года начал устанавливаться прицел ТШ-2Б-32, а затем ТШ-2Б-32П. Пулеметы СГМТ заменялись пулеметами ПКТ. С 1966 года танки стали оснащаться радиостанциями Р-123 (Р-123М) и ТПУ Р-124, гирополукомпасами ГПК-59. По новому стал размещаться наружный ЗИП. На машинах, проходивших капремонт после 1972 года, в башне приваривали бонки для крепления элементов фильтровентиляционных установок ФВУ-15, а в отделении управления — ФВУ-3,5.
В процессе эксплуатации танков Т-54Б пришлось вносить некоторые изменения и в их базовую конструкцию. Так, например, ночной прицел наводчика был установлен вместо его дневного прибора наблюдения. Неожиданно выяснилось, что отсутствие у наводчика этого прибора приводит к нарушению функций его вестибулярного аппарата: при движении танка наводчика укачивало. Пришлось срочно разрабатывать и устанавливать в крыше башни справа от ночного прицела неподвижный призменный прибор наблюдения ТНП-165.
В середине 1970-х годов была разработана новая программа модернизации танков Т-54. Ее целью было доведение характеристик «пятьдесятчетверок» до уровня танков Т-55 последних лет выпуска, а также их унификация. Модернизированный танк Т-54М («объект 137М») был принят на вооружение приказом Министра обороны СССР от 18 марта 1977 года. Модернизация осуществлялась силами танкоремонтных заводов министерства обороны.
На Т-54М были внедрены агрегаты, системы и приборы, разработанные для танка Т-55. В частности устанавливались баки-стеллажи, благодаря чему боекомплект пушки возрос до 43 выстрелов, стабилизатор вооружения СТП-2М, лазерный дальномер КДТ-1, прицел наводчика со стабилизированной линией прицеливания ТШС-32ПВМ. Кроме того, машина получила двигатель В-55 или В-55В мощностью 580 л. с, а также системы ПАЗ, ППО и ТДА. Все танки были приспособлены для навешивания минного трала КМТ-4 или КМТ-6. В ходовой части устанавливались штампованные опорные катки и гусеницы с РМШ. Боевая масса модернизированной машины возросла до 36,5 т.
На базе Т-54М выпускался командирский танк Т-54МК. Он отличался от базового установкой дополнительной коротковолновой радиостанции Р-130М, зарядного агрегата АБ-1-П/30 и навигационного оборудования ТНА-4.
Следует отметить, что модернизацию до уровня Т-54М прошли не все «пятьдесятчетверки». Многие так и остались в варианте Т-54Б. Это объясняется тем, что в конце 1970-х — начале 1980-х капитального ремонта и осуществления различных программ модернизации требовали уже несколько десятков тысяч танков Т-55, Т-62, Т-64 и Т-72. С таким объемом работы танкоремонтные заводы СССР справиться были просто не в состоянии.
В начале 1980-х годов в Омском КБТМ была разработана программа модернизации танков Т-55 с целью доведения их характеристик до уровня основных танков Т-64А и Т-72. В результате были созданы и в апреле 1983 года приняты на вооружение танки Т-55М и Т-55АМ.
Танк Т-55М (Т-55АМ) оснащался многослойными экранами из комбинированной брони на корпусе и башне и бортовыми резинотканевыми экранами. Противоминная защита механика-водителя была повышена за счет дополнительного бронирования днища. На танке был установлен комплекс управляемого вооружения 9К116 «Бастион» и система управления оружием (СУО) «Волна», включавшая в себя лазерный дальномер КДТ-2, баллистический вычислитель БВ-55, прицел ТШСМ-32ПВ и двухплоскостной стабилизатор «Циклон» М1. Часть машин оснащалась зенитным пулеметом НСВТ вместо ДШКМ. Был установлен двигатель В-55У мощностью 620 л.с., увеличен динамический ход опорных катков и введена гусеница с РМШ. Ствол пушки оснастили теплозащитным чехлом. Вместо радиостанции Р-123М установлены радиостанция Р-173 и радиоприемник Р-173П. Машины оборудовались системой запуска дымовых гранат 902Б «Туча» и системой защиты от напалма «Сода». Боевая масса танка в результате модернизации возросла до 40,5 т. Вариант Т-55М-1 (Т-55АМ-1) оснащался двигателем В-46-5М мощностью 690 л.с.