Установка новой пушки потребовала внесения существенных изменений в конструкцию башни и механизма заряжания, а также замены дневных и ночных прицелов и стабилизатора вооружения. Боевая масса танка возросла до 37 т. Емкость механизма заряжания сократилась до 28 выстрелов, а боекомплект пушки в целом — до 37 выстрелов. В дальнейшем были введены зенитный пулемет НСВТ-12,7 «Утес» с дистанционным управлением, башня с повышенным уровнем защиты (комбинированная броня с корундовым наполнителем), оборудование для самоокапывания, крепление для монтажа колейного ножевого минного трала КМТ-6 и встроенное оборудование для самовытаскивания, система «Брод» для преодоления без подготовки водных преград глубиной до 1,8 м, система «Гора — равнина» для обеспечения работы двигателя в условиях высокогорья, система запуска дымовых гранат 902А «Туча» и т. д.
В 1973 году Харьковское конструкторское бюро по машиностроению (ХКБМ) приступило к разработке технического проекта танка Т-64А с ракетно-пушечным управляемым вооружением и с усовершенствованной системой управления огнем («объект 447»). Этот танк отличался от Т-64А прежде всего 125-мм пушкой/пусковой установкой 2А46-2, позволявшей вести стрельбу противотанковыми управляемыми ракетами 9М112 комплекса управляемого вооружения 9М112 «Кобра». Ракета имела полуавтоматическую систему управления, по узконаправленному радиолучу, при которой наводчик-оператор через оптический прицел следил только за целью, а слежение за ракетой и выработка команд управления производились автоматически станцией наведения, установленной в боевом отделении танка.
Танк «объект 447А» в 1976 году был принят на вооружение Советской армии под маркой Т-64Б и кодовым наименованием «Сосна». Однако возросшая стоимость не позволяла оснащать все танки комплексом управляемого вооружения. Поэтому параллельно с танком Т-64Б выпускался его упрощенный вариант Т-64Б-1 («объект 437А»), отличавшийся отсутствием этого комплекса. Танки Т-64Б и Т-64Б-1 до 1985 года выпускались совместно с Т-64А. В результате в танковых дивизиях нередко один полк был вооружен танками Т-64Б, другой — Т-64Б-1, а третий — Т-64А. На вооружении некоторых танковых полков все три типа танков состояли одновременно.
В январе 1985 года на вооружение были приняты варианты танков Т-64Б и Т-64Б-1 с установленными на башне и корпусе комплектами навесной динамической защиты «Контакт» из 179 металлических контейнеров. На башне были установлены 80, а на корпусе — 99 контейнеров. Боевая масса танка возросла до 42,4 т. Серийное производство танков, получивших обозначения Т-64БВ и Т-64БВ-1, продолжалось до 1987 года.
На базе линейных были созданы и выпускались серийно командирские танки Т-64К, Т-64АК, Т-64БК, Т-64АКМ. С использованием ходовой части и трансмиссии Т-64 производились артиллерийские тягачи МТ-Т, плавающий транспортер ПТС-2, паромно-мостовая машина ПММ-2М.
Танки Т-64 всех модификаций в первую очередь поступали на вооружение танковых соединений Советской армии, дислоцировавшихся в Группе Советских войск в Германии. Помимо этого, они имелись в некоторых соединениях, размещенных в других группах войск в Восточной Европе и на территории европейской части СССР. На военном параде в Москве «шестьдесятчетверки» были показаны только один раз — 9 мая 1985 года. Это были танки Т-64Б-1. Данных о количестве выпущенных машин семейства Т-64 в отечественной печати не приводилось. Однако согласно данным, заявленным советской стороной на Венских переговорах по ограничению обычных вооружений в Европе, в 1990 году на этом континенте находилось 3977 танков Т-64 всех модификаций.
Танки Т-64 на экспорт не поставлялись и в составе Советской армии в боевых действиях участия не принимали. Свое боевое крещение они получили уже после распада Советского Союза при не совсем обычных обстоятельствах.