На первом опытном экземпляре бомбардировщика, самолете «95-1», было решено установить четыре ТВД 2ТВ-2Ф (4 х 12000 л. с), на втором, «95-2» - двигатели ТВ-12 (прототип HK-12, 12.500 л. с.) Н.Д.Кузнецова.
Первый полет бомбардировщика «95-1» состоялся ] 2 ноября 1952 г. (командир корабля - А.Перелет). В 1953 году, в 17-м испытательном полете, этот самолет потерпел катастрофу. Второй опытный самолет, «95-2», совершил первый полет 16 февраля 1955 г. (командир - М.Нюхтиков). В ходе государственных испытаний, проводившихся в 1955-1956 гг., па этой машине при взлетной массе 167.200 кг была достигнута максимальная скорость 882 км/ч (рекордная для самолетов с винтовыми движителями) и практическая дальность (т.е. дальность с АНЗ и сбросом нормальной бомбовой нагрузки после преодоления половины маршрута) 15.040 км. Для сравнения, техническая (т. е. чисто расчетная, до полной выработки топлива) дальность американского реактивного стратегического бомбардировщика Боинг В-52В «Стратофортреес», также совершившего первый полег в 1955 году и имевшего максимальную взлетную массу 190.500 кг, составляла 11,530 км, а максимальная скорость - 957 км/ч.
В августе 1955 г. в Куйбышеве был построен первый серийный бомбардировщик Ту-95, отличавшийся от самолета «95-2» фюзеляжем, удлиненным на 2 м. Максимальная взлетная масса серийных Ту-95 составляла 172.000 кг, а практическая дальность полета - 12.100 км.