Фюзеляж – полумонокок круглого сечения диаметром 3,5 м и длиной 45,6 м – технологически делился на носовую часть с передней гермокабиной, среднюю часть, включавшую центроплан крыла, хвостовую часть и кормовою кабину. В передней гермокабине размещался экипаж, основное пилотажно-навигационное оборудование и приборы управления вооружением. Крыло – свободнонесущей кессонной конструкции с углом стреловидности 35°. Механизация крыла состояла из посадочных щитков под мотогондолами и выдвижных закрылков.
Хвостовое оперение – однокилевое, стреловидное, кессонной конструкции.
Силовая установка бомбардировщика состояла из четырех самых мощных в то время реактивных двигателей АМ-3А конструкции Микулина с тягой по 8700 кГс, в 1955—1957 гг. на самолет установили более мощные и экономичные двигатели РД-3М, а затем РД-3М-500А. Тяга на максимальном режиме была увеличена до 9500 кГс. На самолете 3М с 1957 г. были установлены двигатели ВД-7, которые при тяге в 11 000 кГс, что на 26 % больше, чем у предшественника, имели и меньший на 25 % удельный расход топлива, да и по весу были легче. Объем топлива также был увеличен, в том числе за счет подвесных баков.
Шасси – велосипедной схемы, состояло из двух главных четырехколесных тележек и двухколесных свободно-ориентирующихся крыльевых опор. Для маневрирования при движении на земле передняя пара колес передней тележки могла поворачиваться на углы 4° с помощью гидравлической рулевой машины, тележка допускала разворот на углы до 27° в обе стороны. Передняя тележка была оснащена механизмом «вздыбливания» для автоматического увеличения угла атаки самолета при достижении скорости отрыва при разбеге по ВПП. Взлет происходил практически без вмешательства летчика. Колеса задней тележки имели тормоза. Подкрыльные опоры шасси самоориентирующиеся.
В бомбоотсеке самолета предполагалось размещать до двух бомб калибра 9000 кг, трех бомб калибра 6000 кг или любые свободнопадающие бомбы калибра 250 кг и более суммарной массой до 24 000 кг.
Главным оружием М-4 была термоядерная бомба – «изделие 37 д» мощностью 3 Мт тротилового эквивалента, которая могла уничтожить целый город или промышленный район. В арсенал самолета также входили менее мощные боеприпасы: РДС-1 и РДС-1м, РДС-3, РДС-4, РДС-5 и РДС-5 и мощностью 20—60 кт.
В 1959 г. экипажи летчиков-испытателей Н.И. Горяйнова и Б.В. Степанова установили на самолете 3М сразу 12 мировых рекордов высоты полета и грузоподъемности. В том числе подъема с грузом 10 т на 15 317 м, а на 2 км был поднят груз 55 220 кг. В том же году экипаж летчика-испытателя А.С. Липко установил семь мировых достижений скорости полета пo замкнутому маршруту. С грузом 25 т была достигнута скорость 1028 км/ч.
Главной особенностью самолета стал новейший комплекс вооружения с крылатой ракетой Д-5 (КСР-5), которая могла поражать морские и сухопутные радиоконтрастные цели. Она создавалась в соответствии с правительственным постановлением о разработке «стратегической бомбардировочной системы класса «воздух – земля» М-6К-14». Основу системы вооружения 3МД составляли две ракеты К-14, крепления под балочные держатели которых находились снизу корневых частей крыла. Ее дальность полета составила 280 км, а скорость втрое превышала звуковую. Она могла комплектоваться как фугасно-кумулятивной, так и ядерной БЧ. Ракета успешно прошла испытания и была запущена в производство под обозначением КСР-5.
В опытные машины были переделаны два серийных 3М. Первая из них поднялась в воздух с заводского аэродрома в Филях 25 ноября 1959 г. под управлением экипажа Б.М. Степанова. Начавшийся 1 февраля следующего года первый этап Госиспытаний проходил без ракет. После его завершения, несмотря на очевидное недовыполнение технического задания, было принято предварительное решение о серийном производстве 60 самолетов 3М-5. Работы по переоборудованию самолетов начались в 1973 г.
Однако окончательного решения о переоборудовании парка самолетов 3М так и не последовало. В начале семидесятых в международных отношениях наступил период разрядки, и был заключен первый договор об ограничении стратегических вооружений.
Командование ВВС было заинтересовано в превращении устаревших бомбардировщиков в остро необходимые танкеры. Одновременно решали вопрос о продлении назначенного ресурса 3М. Специалисты дали рекомендации, после выполнения которых самолеты 3М могли эксплуатироваться еще минимум 10 лет.
Всего было построено 116 серийных бомбардировщиков М-4 и 3М, из которых часть была переделана в самолеты-заправщики. Последний полет самолеты 3М совершили 23 марта 1994 г. с аэродрома г. Энгельс.
Модификации самолетов Мясищева, состоявшие на вооружении Дальней авиации, были следующие:
3МС-1 – бомбардировщик с двигателями РД-3М-500А («С» – как бы старый), изготовлено 40 таких самолетов;
3МС-2 – заправщик на базе 3МС -1;
3МН-1 – бомбардировщик с двигателями ВД-7Б («Н» – новый), было изготовлено 30 таких единиц;
3МН-2 – заправщик на базе 3МН;