В 1978 г. к переучиванию на Ту-22М2 приступил 1225-й тбап, а в 1980 г. – 1229-й тбап (Белая). Технический состав этих полков проходил стажировку в 185-м гв. тбап (Полтава), а также в 43-м ЦБП и ПЛС.
За Ту-22М2 в серию пошел Ту-22М3, разработка которого начата согласно Постановлению СМ СССР № 534—187 от 26 июня 1974 г. Создание Ту-22М3 началось с решения ВПК при Совете Министров СССР о доработке Ту-22М2 под двигатель НК-25, которое было принято в январе 1974 г. Специалисты ОКБ предложили не ограничиваться только заменой двигателей, а одновременно внести улучшения в конструкцию и аэродинамику самолета. В результате 26 июня того же года вышло постановление Совета Министров, в котором ставилась задача завершения в 1976 г. совместных государственных испытаний Ту-22М в варианте с двигателями НК-25, с улучшенной аэродинамикой планера, со сниженной массой и улучшенными тактическими и эксплуатационными характеристиками.
Новая модификация получила официальное обозначение Ту-22М3. В июне 1975 г. совместным решением МАП и ВВС утверждается перечень мероприятий не только по созданию Ту-22М3, но и по его дальнейшему развитию, предусматривавших вооружение новыми типами ракет и бомб различного назначения, а также модернизацию прицельно-навигационного комплекса. В результате помимо новых двигателей НК-25 ОКБ значительно изменило и сам самолет. Воздухозаборники с вертикальным клином заменили на устройства с горизонтальным клином. Увеличили максимальный угол отклонения поворотной части крыла до 65°, убрали в контур обтекателя гидравлические агрегаты узла поворота. Ввели новую удлиненную носовую часть фюзеляжа. В кормовой установке оставили только одну пушку и улучшили ее аэродинамические формы. Среднюю часть крыла сделали неразъемной, перешли на титан в конструкции противопожарных перегородок и хвостовых стекателей.
Внесли изменения в составные части навигационного комплекса. Конструкторы рассматривали вопросы по расширению вариантов ударного вооружения и модернизации аппаратуры РЭП.
После выполнения программы летно-доводочных испытаний Ту-22М3 с 1978 г. был запущен в серийное производство. Испытания первых Ту-22М3 показали, что по своим летно-тактическим характеристикам самолеты новой модификации значительно превосходят Ту-22М2: максимальная скорость возросла с 1700 до 2000—2300 км/ч, тактические радиусы действия – на 14—45 % в зависимости от режима полета. Суммарная боевая эффективность Ту-22М3 увеличилась по сравнению с Ту-22М2 в 2,2 раза. Совместные государственные испытания Ту-22М3 завершились в 1981 г. Самолет был рекомендован к принятию на вооружение. В окончательном виде Ту-22М3 официально приняли на вооружение в марте 1989 г. Серийное производство Ту-22М3 было прекращено в первой половине 1990-х гг. Таким образом, в результате двадцатилетней напряженной работы отечественному авиапрому удалось довести до требуемой кондиции один из уникальнейших боевых комплексов отечественной авиации.
По своей компоновке и конструкции Ту-22М3 представляет собой свободнонесущий цельнометаллический моноплан со среднерасположенным крылом с изменяемой стреловидностью, однокилевым хвостовым оперением и трехопорным, убирающимся в полете, шасси. Экипаж состоит из четырех человек, размещенных попарно: два пилота (командир корабля и помощник командира), штурман-навигатор и штурман-оператор систем вооружения. Фюзеляж – цельнометаллический, полумонококовой конструкции. В носовой части размещена герметичная кабина экипажа.
Крыло – двухлонжеронное, кессонной конструкции, состоит из центроплана, двух средних (СЧК) и двух поворотных частей. Центроплан и СЧК соединены между собой неразъемно и образуют центральную часть крыла (ЦЧК). Кессоны используются в качестве топливных баков. Поворотные части крыла (ПЧК) крепятся к фиксированной части через шарнирные узлы поворота. Поворот ПЧК осуществляется с помощью электрогидравлической системы. Вертикальное оперение включает киль и руль направления. Стабилизатор состоит из двух половин, закрепленных в хвостовой части фюзеляжа. Шасси – трехопорное. Носовая опора – двухколесная, складывается назад по полету. Основные опоры – трехосные шестиколесные, убираются в крыло. Предусмотрен тормозной парашют, размещенный в задней части фюзеляжа.
Самолет оснащен двумя ТРДДФ НК-25 с взлетной максимальной форсажной тягой 25 000 кгс и максимальной бесфорсажной – 14 500 кгс. Удельный расход топлива на крейсерском дозвуковом режиме полета – 0,76 кг/кгс.ч и на сверхзвуковом режиме – 2,08 кг/кгс.ч. Топливо размещено в фюзеляжных и крыльевых (в центроплане и консолях) баках, оснащенных системой заполнения нейтральным газом. Топливные баки емкостью 67 700 л. Воздухозаборники двигателей – боковые, имеющие сечение на входе, близкое к прямоугольному.