1962年开始，第一批图-22轰炸机装备了远程航空兵第203团（巴拉诺维济）、121团（乌克兰马丘利希）和290团（白俄罗斯贾布罗夫卡），第一批图-22R侦察机装备了独立远程航空侦察兵第199团（乌克兰涅任）；而图-22K则装备了重型轰炸航空兵第203、121和341团。到了1967年，远程航空兵已经装备了145架该型飞机。该型飞机在1969年12月停产，一共生产了311架。20世纪90年代中期该机开始退役，其中部分做为预备役在基地保存。
在空军远程航空兵拥有超音速轰炸机后，1965年，苏军海军航空兵开始装备图-22的海军型图-22K。该型飞机起飞重量92吨，最大速度1610千米/小时，航程4400千米。飞机主要挂载Kh-22空舰导弹。之后，又给该型飞机增加空中加油装置，从而提高了航程，新型号命名为图-22KD（即远程型）。
图-22K搭载该型导弹可以以1720千米/小时的时速在14000米高空发射，当导弹命中敌舰时，战斗部的高爆炸药可以造成敌舰损伤面积20平方米以及12米深度创口。当时，装备该型飞机的航空兵部队首要目标就是美国在地中海的第六舰队航空母舰。
波罗的海舰队的远程侦察航空兵第15团最先装备了图-22R飞机，之后1965年在萨基机场的黑海舰队远程侦察航空兵第30团也装备了该型飞机。到了1969年，海军航空兵共有2个团装备了62架该型飞机，取代了之前的伊尔-28R飞机。直到20世纪80年代中期才被新的苏-24MR侦察机所替代。
图-22K/KD的识别特征是大而鼓起的雷达罩，这与旁边的图-22PD形成了明显对比
加力起飞的图-22KD
Kh-22导弹以半埋方式挂在图-22KD的机腹
苏军此时拟定的标准战术如下：首先出动4架图-22R侦察机用于确定美国航母方位并指引目标，在一些情况下将会出动歼击机予以掩护。一旦发现目标，其中2架侦察机将会保持原先飞行高度并传送相关坐标位置。其余的2架侦察机将下降到100米高度并尽可能接近敌方编队，以便准确判定对方编队船只组成与坐标位置。之后，第一组图-22R侦察机将把准确信息传递给待命攻击的图-22K机群。一般攻击将会出动1个图-22K航空兵团，由24-30架图-22K以及4-8架图-22PD电子战飞机组成。全团会分成4个攻击机群，轰炸机群飞行高度在9700～10600米，机群飞行间隔时间3分钟，Kh-22导弹将会在300千米外发射，而图-22PD电子战飞机将会对敌方舰载雷达、防空雷达以及对方舰载机的机载雷达实施有效干扰。第一攻击波将会连续发射8枚装核战斗部的Kh-22导弹，对美国航空母舰编队面目标进行打击，而不是针对某个具体目标。此后，对方的无线电设备反抗能力明显下降。这样，第二波次的Kh-22导弹再继续攻击剩余目标。在导弹发射后，载机即刻返航。
图-22PD电子战飞机
“堆叠式”前后座舱设计的图-22UD教练型
更高与更快
在B-58黯然退场后，美国又推出了指标更高的B-70轰炸机，设计指标是3倍音速，3万米高空以及航程1万千米，以实现可以打击苏联腹地的要求。在得知这一情报后，苏联也不甘示弱推出了自己的对应型号。当时的苏霍伊飞机设计局推出了T-4，而图波列夫设计局则推出了145工程。苏联军方对飞机的要求是超音速突防高亚音速巡航，亚音速巡航状态下航程应该在6000～7000千米；必须采用可变后掠翼，至少可以携带2枚Kh-22导弹。选型中，苏联军方发现T-4性能的确优异，但载荷有限且造价昂贵，最终只能忍痛割爱。
苏霍伊对B-70的回应——布局和B-70相似的T-4
图波列夫的答案则是145工程
1967年11月苏联部长会议第1098-378号决议决定研发可运载导弹的超音速轰炸机。轰炸机计划配备两台NK-144-22加力燃烧室双涵道涡轮喷气发动机和可变后掠翼，这就是未来有名的“逆火”轰炸机。
图-22M风洞模型，发动机已经从机背移进了机身，并改成两侧进气，图-22最后的一点遗迹已经消失
1964年夏天原型机图-22M0出厂，在同年8月30日首次试飞成功，之后生产了9架预生产型，不过离军方要求还有一些距离。1969年12月决定对升级版的图-22M1进行研发工作。
第一架图-22M0原型机
1971年夏，喀山航空制造厂生产出了1架配备两台NK-144-22型发动机的图-22M1飞机并在6月28日进行飞行试验。其实在飞行试验结束前就已经决定投入批生产了，不过产量较小。相对的大规模生产的是图-22M2，1973年5月7日进行了首次飞行并在1976年开始装备部队，到1983年共生产了211架。
图-22M1原型机，安装是NK-144-22发动机
进行空中加油和武器测试的图-22M1
从上到下：图-22M0、图-22M1、图-22M2的侧面图对比
在茹科夫斯基测试的图-22M2原型机 这型飞机配备的是NK-22发动机，它实际是NK-144型发动机的改进，设计人员几乎未加修改借用了原先发动机的进气道。1968年4月，NK-22型发动机进行了首次试验，此时使用寿命为100小时。1972年开始进行批量生产，之后又不断进行改进。到1976年，该型发动机使用寿命已经达到750小时。
虽然这型飞机没有像同时代的美国B-1B轰炸机具有自动地形跟踪系统，但仍然可以完成较长时间的低空飞行，并避开敌方防空兵器的攻击。飞机安装了2台NK-22双涵道涡轮喷气发动机，一部INA瞄准雷达、一部AFCS-145M自动控制系统、一部OPB-15T光学投弹瞄准具、一部TP-1KM电视瞄准具等，时速1800千米/小时，航程5000千米。该型飞机先后装备了重型轰炸航空兵第185团（1974年波尔塔瓦，原装备图-16K）、840团（1976年诺夫哥罗德州索利齐）、1225团和1229团（1982年伊尔库茨克附近别拉亚，原装备图-16K）。
可变后掠翼设计使图-22M2的起降性能有了很大提高
与前一种生产型相比，主要区别是去掉了空中受油管（由于受美苏限制战略武器谈判的影响）。该型飞机翼展加大，翼根后缘的鼓包被去掉，只在翼下保留了稍为鼓起的整流罩。经常能看到的机头空中加油探管被拆掉，取而代之的是较长的整流罩。武器包括机腹半埋式携带的1枚Kh-22空-地导弹，以及两侧机翼固定段下携带的两枚Kh-22导弹。两门GSh-23双管23毫米机炮装在机尾一个鼓形整流罩内。
受美苏限制战略武器谈判的限制，图-22M2去掉了机头的空中加油探管，不过装回去也很容易
图-22M2尾部的两门GSh-23双管23毫米机炮
与之前的图-22相比，图-22M简直是脱胎换骨的变化！苏军航空兵终于有了一款可以令对手颤栗的打击利器！所有距离该飞机基地4000千米以内的地面和水上目标都将在红色帝国红五星的铁翼下颤抖！
1974年6月26日，苏联部长会议通过第534-187号决议，研制配备新发动机的新型轰炸机，新型轰炸机代号图-22M3，新型发动机代号NK-25（产品E）。NK-25型航空发动机包括如下部件：
15级轴向三转子压气机，包括3级低压、5级中压和7级高压；
4级轴向三转子涡轮，包括1级高压涡轮、1级中压涡轮和2级低压涡轮；多喷嘴环形燃烧室；
多喷嘴、多回路燃烧室，燃烧室推力可以平滑调节；
可调尾喷口。
由于设计人员的努力，使得该型发动机最大推力达到25吨（比NK-22的推力增加了20%），并将亚音速巡航状态单位油耗降到0.76千克/吨小时。
图-22M3配备的NK-25航空发动机
1977年6月20日，图-22M2的改进型图-22M3进行了首次试飞，并且在1983年开始装备部队。与之前相比，该型飞机安装了2台NK-25加力涡扇发动机，可变后掠角由原来的60°增加到65°，采用了构造简易的新型起落架和带有水平调节斜板的进气道。机翼依然采用悬臂式下单翼结构，机身则为普通半硬壳结构。
第一架图-22M3原型机
图-22M3三面图