Аэродинамика бомбардировщика была улучшена за счет придания удлиненной на 0,8 м носовой части фюзеляжа более острых обводов. Кроме того, в соответствии с протоколом договора ОСВ-2, была демонтирована штанга топливоприемника системы дозаправки в воздухе. Максимальный угол стреловидности крыла для достижения более высоких скоростных характеристик увеличили с 60° до 65°. Удалось облегчить ряд силовых элементов планера, с целью снижения массы отказались и от раздвижения средней пары колес основного шасси (практика показала, что эксплуатация самолетов класса Ту-22М с грунтовых ВПП - дело весьма сомнительное), вместо двух пушек ГШ-23 в более узкой хвостовой части фюзеляжа оставили лишь одну пушку. Была несколько усилена конструкция крыла. Бомбардировщик оснастили электрической системой переменного тока стабильной частоты, включающей гидромеханические привод генераторы постоянных оборотов (это позволило отказаться от громоздких электромашинных преобразователей). В системе постоянного тока появились бесконтактные генераторы и аккумуляторы новой конструкции. Более компактной и эффективной стала система кондиционирования воздуха, изменилась в лучшую сторону компоновка кабин экипажа.

Ракетное вооружение Ту-22М-3 по сравнению со своим предшественником было значительно усилено; и дополнение к крылатым ракетам Х-22МА самолет получил аэробаллистические ракеты малой дальности (шесть АБР разместились на барабанной многопозиционной пусковой установке в фюзеляже и еще четыре - на внешних узлах подвески).

Первый полет Ту-22М-3 состоялся 20 июня 1977 г., а в J 989 году самолет был принят на вооружение ВВС. По сравнению с Ту-22М-2 новый бомбардировщик имел на Н-45% (в зависимости от профиля полета) больший тактический радиус действия. При базировании на удалении 800 км от линии фронта глубина боевых действий у Ту-22М-3 увеличилась па 20% при полете но высотному профилю и на 170% - при полете на малой высоте. Суммарная боевая эффективность Ту-22М-3 возросла по сравнению с Ту-22М-2 в 2,2 раза.