动力系统的改进引发了一系列其他变化，包括完全重新设计后压力舱壁之后的机身，以便容纳下更大的D-30二号发动机，同时后机身两侧的一号和三号发动机舱位置提高以升高推力线。此外翼身连接处更加流线化，为此对后缘襟翼的形状进行了调整，襟翼也经过密封处理，缩回后产生的空气阻力较小。更长的前缘缝翼横跨整个机翼，平尾尺寸也有所增加。APU从方向舵下方被移至二号发动机S形进气道底部。根据苏联对重大改进型号的命名惯例，该机的编号是图-154M。
第一架图-154M原型机改装自图-154B-2CCCP-85317，于1980年初在古比雪夫完成了所有内部和外部改装后的首飞，试飞员是图波列夫的谢尔盖·阿加波夫。该机在1981年6月1日-8月14日进行了国家验收试飞。
图-154M CCCP-85317号原型机
大约同一时间，苏联民航决定到20世纪80年代末把200架低飞行时数的图-154B-2改装成图-154M标准，为此命令图波列夫设计局研制一套改装套件。但不久后该计划被取消，苏联民航决定集中资源部署全新图-154M。在政府和军队中服役的图-154A/B型仍继续飞行，只不过降低了机舱压力以延长结构寿命。
1984年7月16日，第一架全新制造的图-154M也是第二架原型机CCCP-85606首飞。古比雪夫同年又生产了三架图-154M，主要用于试飞。该机在1985年1月开始全面生产。
图-154M的驾驶舱布局
苏联民航在莫斯科伏努科沃机场开始运营图-154M，保加利亚巴尔干航空公司再次成为该机的国际启动客户。图-154M开始顺利服役，因运营效率的提高和耗油量的降低而受到欢迎，该机每小时耗油量比B型能少1吨。唯一退步是D-30发动机的黑烟问题比NK-8严重。20世纪90年代苏联解体后，苏联民航也分裂成300多个地区航空公司和小型航空公司，这些公司手中的图-154M许多机尾被涂成深色，以掩盖在后机身上D-30发动机反推时堆积的烟灰。
图-154M的标志性黑烟
深色涂装能掩盖反推烟灰
图-154M在东欧获得了几个新用户。历史悠久的波兰航空公司一直依靠图-134和伊尔-18执行短途航班，用伊尔-62执行到纽约、芝加哥和多伦多的跨大西洋航线。从1985年5月起，该公司从苏联民航列宁格勒基地租用了三架图-154B-2，随后又订购了14架图-154M，其中第一架于1986年5月27日交付。捷克斯洛伐克载旗航空公司CSA也订购了7架图-154M，从1988年3月5日开始执行到伦敦希思罗机场的航班。
伊尔-62M
有趣的是，东德载旗航空公司从未装备过图-154，而是用图-134覆盖其欧洲境内的大部分航线，用更强大的伊尔-62负责长途航线服务，需要时也用该机提供额外短途容量。东德政府采购过两架图-154M专机，在1989年柏林墙倒塌后由统一的德国空军接管。图-154获得了出口成功，被销售到华约的朝鲜、中国、古巴、埃及、伊朗、巴基斯坦和土耳其。我国自1985年开始陆续引进了30架图-154M飞机，曾分别由民航、北方、西南、西北、新疆、四川、长城航空公司运营。由于图-154M安全记录较差，航电和性能落伍，因此国家民航总局决定在2002年11月全面停飞国内的图-154M。
中国联航的图-154M
伊朗怪机
在中东地区，图-154的最大用户是伊朗。1978-79年间的伊朗革命后，伊朗只能向苏联采购客机。伊朗的人口和经济在1988年两伊战争结束后有了较高增长，航空运力上的空缺就由大批图-154客机来填补。到21世纪初，图-154已经在德黑兰市中心的梅赫拉巴德机场停机坪上随处可见。
伊朗航空公司旅游公司的图-154M
在2009-2010年接连两次重大坠机事故后，图-154从伊朗民航中全数退役，除了一架垂尾上长着F-5机头的图-154奇怪改型。
这架飞机是伊朗飞机制造工业公司（HESA）改装的图-154M飞行试验台，用于支援伊朗空军的F-5国产化项目——“闪电”，对，就是那架具有外倾双垂尾的F-5战斗机。“闪电”作为伊朗自研的F-5E/F先进改型，在弹射座椅、航电、雷达和飞控上都有大幅改进，这都需要先期验证。于是HESA就从伊朗民航借来一架图-154M，并改装成了“阿米塔”飞行试验台。
“阿米塔”飞行试验台
虽然在图-154M垂尾上“嫁接”F-5前机身的改装方式有些简单粗暴，但对于弹射座椅测试来说却能获得最真实的测试环境，测试效果远远优于地面火箭滑车。此外该机还能在机腹挂载“闪电”发动机测试吊舱，并用于对“闪电”的航电进行飞行测试，完全可以说“阿米塔”为“闪电”战斗机的问世立下了汗马功劳。
简单粗暴的嫁接方式
伊朗“闪电”战斗机
晚节不保
苏联解体后，图-154M的生产一直持续到90年代末。虽然此时该机的后继机——双发的图-204已经在航星和喀山飞机制造厂投产，但该机远没有图-154辉煌，在28年的生产中仅制造了82架。
图-154的继任者图-204
与图-102形成鲜明对比是，图-154M在1990年到1994年之间一口气制造了40架，之后生产才开始放缓，在1998年最后一年里还制造出5架。甚至在接下来的七年时间里，古比雪夫工厂还偶尔用库存机身和机翼组装出几架图-154M，其中最后一架在2013年2月下线，移交给俄罗斯国防部，此时该机40多年的生产历史才正式结束。
俄罗斯国际航空公司在苏联解体后继承了44架图-154，这些飞机一直服役到21世纪初，随后开始被西方制造的窄体客机取代。这些飞机改成了俄航的新涂装，客舱也经过翻新以提高舒适性。尽管图-154的采购价格很低，飞行时数也不高，但低廉的购买价格和退役飞机贡献的大量备件在经济上仍无法抵消该机的高油耗。
俄航图-154M