Прототип Ту-134СХ (СССР-65917, зав. №(33)63991) поднялся в воздух в апреле 1983 г. еще без РЛСБО. До 1989 г. выпустили 9 серийных машин: СССР-65918, -65721 по -65725 и -65928 по -65930. В эксплуатацию самолет приняли согласно приказам МАП, МГА и Минсельхоза от 2 октября 1984 г. Впрочем, испытания в ГосНИИ ГА продолжались еще около полутора лет. Съемка одного квадратного километра суши или моря с Ту-134СХ обходилась в 2,4 раза дешевле, чем с Ан-26, в 2,7 раза, чем с Ан-30, и в 4,6 раза, чем с Ми-8. Первые два года самолеты летали без РЛСБО, которая долго испытывалась в ГосНИИ ГА. Эксплуатация Ту-134СХ с РЛСБО началась только в мае 1987 г. В 1990 г. самолет модернизировали: он получил радиотехническую систему дальней навигации А-723 «Квиток-2», новые шестиканальные гамма-спектрометры «Кама-С» и «Кама-Ф» (диапазон 2,2-4,74 мкм) и тепловизор «Вулкан» (8-14 мкм).
Все серийные Ту-134СХ попали в 243-й ЛО Воронежского ОАО. Позже 3 машины передали 176-му ЛО Ивановского ОАО. В 1986 г. был создан Всесоюзный научно-исследовательский центр «Автоматизированная информационно-управляющая система «Агроресурсы», следивший за состоянием посевов, сельхозугодий, лесонасаждений и водоемов. В его распоряжение были предоставлено несколько самолетов, в т.ч. Ту-134СХ.
Самолеты этой модификации применялись в различных исследованиях, причем связанных не только с сельским хозяйством. Так, с 27 октября по 4 ноября 1988 г. Ту-134СХ участвовал в экспедиции «Арал-88», изучавшей экологическую катастрофу в зоне Аральского моря. Виновниками бедствия были земледельцы, забиравшие для орошения хлопковых полей почти всю воду из Амударьи и Сырдарьи, впадающих в Арал. Оказалось, что половина воды уходит сквозь стенки каналов, построенных без какой-либо гидроизоляции. Были определены участки каналов, которые надлежало забетонировать в первую очередь, чтобы снизить потери воды. 15 февраля 1989 г. Ту-134СХ использовался для оценки ущерба от землетрясения в Армении, унесшего жизни 25000 человек. 10 января 1990 г. Ту-134СХ участвовал в экологической акции «Невская губа», связанной с изучением последствий возведения дамбы для защиты Ленинграда от наводнений. Исследование показало, что в западной и восточной частях Невской губы образовались застойные зоны, где скапливались сбрасываемые в Неву и Финский залив промышленные стоки. Властям Ленинграда порекомендовали взорвать дамбу, чтобы восстановить нормальную циркуляцию воды. В августе 1992 г. Ту-134СХ участвовал в российско-американском гидрологическом эксперименте «Пречери». Кроме того, самолет применялся как разведчик рыбы на Камчатке, как ледовый разведчик на Крайнем Севере, нес службу в лесном хозяйстве и геологии.
К сожалению, эксплуатация Ту-134СХ протекала с большими организационными проблемами. В Воронежском ОАО подготовили экипажи для десяти машин, а поступило сначала всего две. К августу 1988 г. в строю было 4 самолета. Никак не удавалось решить вопрос с оплатой труда экипажей, поскольку «пробить» для Ту-134СХ статус самолета-лаборатории оказалось неимоверно сложно. К тому же, они постоянно выявляли загрязнение окружающей среды и прочие безобразия, после чего разные ответственные лица получали «по шапке», и вскоре чиновники стали мешать проведению воздушного мониторинга. В результате половина машин стояла без дела. Мало-помалу созрело решение переделать самолеты в административные или грузовые и продать. Первым стал RA-65930 (зав. №(73)66500), в 1995 г. переделанный в грузо-пассажирский с дверью размером 1,61x1.09 м. Но из-за отсутствия аварийных выходов он был малопригоден для пассажирских перевозок. Поэтому в конце 1999 г. при капремонте самолет снова доработали: прорезали дополнительные окна и аварийные выходы, смонтировали роскошный интерьер, превратив его в 40-местный «салон». Он получил обозначение Ту-134A-3M. К августу 2002 г. переделали все «СХ», кроме RA-65929.
В 1968 г. один серийный Ту-134 «без буквы» переоборудовали в транспортно-са- нитарный Ту-134ТС. Он был рассчитан на перевозку 5-6 т грузов и раненых в сопровождении медперсонала. Самолет прошел испытания без замечаний военных, за исключением претензий к размерам дверей, не позволявшим загружать крупногабаритные грузы. Машина осталась в единственном экземпляре.
Куда более широкое распространение получили учебно-штурманские Ту-134Ш-1 и Ту-134Ш-2, созданные на базе Ту-134А для замены Ту-124Ш-1 и Ту-124Ш-2. Первый прототип Ту-134Ш-1 (борт 01 красный, зав. № 0350001) был выпущен 29 января 1971 г. После заводских испытаний самолет передали в ГК НИИ ВВС для Госиспытаний. 17 марта последовал второй прототип (зав. № 350002), а в 1972 г. началось серийное производство. До 1980 г. выпустили 90 самолетов в обоих вариантах. Для них почему-то сделали отдельную нумерацию серий.