Однако работы по специализированному высотному варианту бомбардировщика несколько затянулись, и в 1955 г. государственной комиссии был предъявлен эскизный проект и макет более простого модернизированного самолета, получившего обозначение ЗМ (М-6). А 27 марта 1956 г. уже начались летные испытания этой машины, имеющей носовую оконечность фюзеляжа иной формы, удлиненную на 1 м (в самом носу бомбардировщика размещалась РЛС РБП-4, за ней блистер штурмана), усовершенствованное (после истории с «шимми») шасси, облегченную конструкцию планера (в частности, масса кабины снизилась на 500 кг), горизонтальное оперение без поперечного положительного V, более мощные и легкие двигатели ВД-7 (4x11 000 кгс) с удельным расходом топлива, сниженным по сравнению с АМ-ЗА на 25%, и экипаж, уменьшенный с восьми до семи человек. На новом самолете удалось несколько увеличить емкость топливных баков, кроме того, были предусмотрены узлы крепления для подвесных топливных баков, размещавшиеся под мотогондолами и в грузоотсеке. Максимальная взлетная масса бомбардировщика достигла 193 т без баков и 202 т с ПТБ. Дальность полета по сравнению с бомбардировщиками предыдущих модификаций возросла на 40%, а с одной дозаправкой в воздухе при нормальной бомбовой нагрузке превысила 15 000 км; продолжительность полета достигла 20 ч. Теперь бомбардировщик с полным правом мог называться межконтинентальным: он получил способность, взлетев с аэродрома, расположенного в глубине территории СССР, наносить удары по США и возвращаться на свою базу.
В 1958 г. самолет ЗМ прошел войсковые испытания и был официально принят на вооружение. Однако в ходе эксплуатации бомбардировщиков выяснилось, что межремонтный ресурс ТРД ВД-7 не удастся довести до заданной величины. Это требовало частой замены двигателей, что, в свою очередь, снижало боеготовность и увеличивало эксплуатационные расходы. Поэтому было принято решение установить на ЗМ хорошо зарекомендовавшие себя на М-4 двигатели РД-ЗМ-500А. Самолеты с такой силовой установкой получили обозначение ЗМС. Их дальность полета без ПТБ уменьшилась до 9400 км.
Несколько позже была создана новая модификация ВД-7 – двигатель ВД-7Б. Его ресурс удалось довести до заданного уровня и несколько повысить экономичность, однако для этого пришлось пожертвовать максимальной тягой, она составила лишь 9500 кгс. Бомбардировщики с ВБ-7Б получили обозначение ЗМН. Имея несколько худшие скоростные и высотные характеристики, чем ЗМС, они обладали на 15% большей дальностью.
В 1960 г. началось оснащение полков дальней авиации самолетами ЗМД – последней серийной модификацией бомбардировщика. Эта машина имела крыло большей площади (при неизменном размахе), а также заостренную носовую часть фюзеляжа, заканчивающуюся штангой топливоприемника системы дозаправки в воздухе.
В начале 1960-х годов, уже после официального закрытия ОКБ В.М. Мясищева, в Жуковском приступили к летным испытаниям высотного бомбардировщика ЗМЕ, оснащенного двигателями ВД-7П (РД-7П) с максимальной стендовой тягой 11 300 кгс. На большой высоте тяга новых двигателей на 28% превышала тягу ВД-7Б, что значительно улучшало летные характеристики бомбардировщика. Однако в 1963 г. испытания машины были прекращены, прекратился и серийный выпуск бомбардировщиков В.М. Мясищева на заводе в Филях. Всего было построено 93 самолета М-4 и ЗМ всех модификаций, в том числе около 10 М-4 и 9 ЗМД.
На базе бомбардировщика ЗМ в 1956 г. был разработан проект пассажирского и военно-транспортного двухпалубного самолета «29». На военно-транспортном варианте предполагалось применение грузовой рампы, что позволяло брать на борт тяжелую боевую технику. Однако в металле этот самолет так и не был построен (впервые военно-транспортный самолет подобного класса – Локхид С-141 – был создан лишь в 1963 г.). Также остался нереализованным и проект первого в мире малозаметного стратегического бомбардировщика с передними поверхностями крыла и оперения, выполненными с использованием радиопоглощающих материалов.
Недостаточный боевой радиус действия первой модификации стратегического бомбардировщика остро поставил перед ОКБ В.М. Мясищева задачу поиска нетрадиционных путей увеличения дальности полета. Решение проблемы виделось в оснащении самолета системой дозаправки топливом в воздухе. В качестве самолета-заправщика было признано целесообразным использовать переоборудованный бомбардировщик того же типа, что и заправляемый самолет; тем самым упрощались организация полета группы бомбардировщиков и самолетов-заправщиков, имеющих одинаковые летные характеристики, а также наземное обслуживание парка дальней авиации (по аналогичному пути пошли и в Великобритании, создав параллельно с бомбардировщиками серии «V» их «танкерные» варианты. Богатая Америка предпочла создать специализированный самолет-заправщик КС-135).