Первый полет опытного бомбардировщика Ту-22М-0 состоялся 30 августа 1969 г. (командир экипажа - летчик-испытатель В.Борисов}. В июле 1971 г. на Казанском авиационном заводе приступили к постройке малой серии (девять единиц) самолетов Ту-22М-1, государственные испытания которых завершились лишь в 1975 году. Но уже в 1972 году, не дожидаясь их окончания, началось крупносерийное производство новой модификации бомбардировщика - Ту-22М-2, оснащенного ТРДДФ НК-22 (дальнейшее развитие НК-144-22).

В ходе испытаний самолет развил максимальную скорость 1800 км/ч и показал дальность 5100 км. Вооружение состояло из одной ракеты Х-22МЭ полуутопленной в фюзеляже. Кроме того, в перегрузочном варианте самолет мог нести еще две ракеты этого типа. В грузоотсеке и на четырех узлах внешней подвески могло размещаться до 21000 кг своё од попадающих бомб калибром 250-3000 кг. Оборону задней полусферы обеспечивали две дистанционно-управляемые 23-мм пушки ГШ-23Л в установке УКУ-9К-502.

В 1975 году Ту-22М-2 начали поступать в строевые части, а в следующем году бомбардировщик был официально принят на вооружение советских ВВС. Казанским авиационным заводом выпущено 211 Ту-22М-2.

На базе ТРДДФ НК-22 в ОКБ Н. Кузнецова был разработан новый, более мощный и экономичный трехвальный двигатель с электронной системой управления НК-25. В 1974 г. его установили на специально переоборудованный самолет Ту-22М-2, получивший обозначение Ту-22М-2Е.

Под НК-25 в 1977 году была создана следующая модификация бомбардировщика - Ту-22М-3. Самолет имел новый воздухозаборник с горизонтальным клином, что обеспечило двигателю лучшие условия работы.