Летные данные. Максимальная скорость 940 км/ч (3М), 925 км/ч (3МС, 3МД); крейсерская скорость 800 км/ч; взлетная скорость 310 км/ч; посадочная скорость 210 км/ч; практический потолок 12150 м; практическая дальность полета (с 5000 кг бомб) 11 850 км (3М), 9440 км (3МС), 10 950 км (3МД); практическая дальность полета с одной дозаправкой в воздухе 15 400 км (3М), 12 400 км (3МС), 13 600 км (3МД); максимальная эксплуатационная перегрузка (полетная масса 140 000 кг) 2.

Конструктивные особенности. Самолет со стреловидным крылом, велосипедным шасси, имеющим систему «вздыбливания», облегчающую взлет, и четырьмя двигателями, установленными в центроплане.

Конструкция самолета обеспечивает возможность длительного полета на малой высоте с большой скоростью, что выгодно отличает 3М от других тяжелых бомбардировщиков 1950-х годов (Ту-16, Ту-95, Боинг В-47, Боинг В-52).

По сравнению с исходным самолетом М-4 на бомбардировщике 3М экипаж сокращен до семи человек (упразднен оператор РЛС), носовая часть фюзеляжа с антенной РЛС приобрела овальные (3М, 3МС и 3МН) или заостренные (3МД) очертания, усовершенствовано шасси, применены более экономичные двигатели ВД-7, крыло большего размаха, горизонтальное оперение без V. Увеличена емкость внутренних топливных баков, применены ПТБ, установлена штанга топливоприемника дозаправки в воздухе, усовершенствовано навигационное оборудование.

По сравнению с Ту-95 бомбардировщик 3М имеет меньшую радиолокационную и акустическую заметность.

Аэродинамическое качество 18,5.

Вооружение. Шесть пушек АМ-23 (23 мм) в трех башенных установках с дистанционным управлением (боекомплект верхней и нижней установок по 1100 снарядов, кормовой - 2000 снарядов), бомбы массой 24 000 кг (3М), в том числе 52 ФАБ-500, три (в перегрузке - четыре) ФАБ-6000 или две ФАБ-9000, две ядерные бомбы массой 2000 кг или одна массой 4000 кг, противокорабельные торпеды, мины.