В январе 1974 года ВПК при Совете Министров СССР принимает решение по дальнейшей модификации Ту-22М2 под двигатели НК-25. В ходе проработки возможных путей модификации ОКБ, основываясь на своих наработках, предлагает не ограничиваться только заменой двигателей, а провести дополнительные улучшения в конструкции и аэродинамике самолета. В результате 26 июня 1974 года вышло Постановление Совета Министров СССР № 534-187, определявшее развитие Ту-22М с двигателями НК-25, с улучшенной аэродинамикой планера, со сниженной массой пустого самолета и с улучшенными тактическими и эксплуатационными характеристиками. Новая модификация Ту-22М получила официальное обозначение Ту-22М3 («45-03»).
Помимо применения НК-25, по предложению ОКБ провело следующие конструктивные мероприятия значительно изменившие самолет. Заменили воздухозаборники с вертикальным клином на воздухозаборники 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 с измененной штангой топливозаправки. Заменили спаренную двухпушечную кормовую установку на однопушечную с улучшенной аэродинамической формой. Облагородили съемные узлы, уплотнили щели, заменили обтекатели и т.д. Провели мероприятия по снижению массы пустого самолета: облегчили основные стойки шасси (перешли на другой тип колес, отказались от раздвижной системы средней пары колес), ввели облегченный стабилизатор и укороченный руль направления, конструкцию средней части крыла сделали неразъемной, перешли на титан в конструкции противопожарных перегородок и хвостовых стекателей, изменили тип теплоизоляции и герметиков, ниппельные стыки труб заменили на паяные, заменили гидронасосы и генераторы на более легкие, отказались от тяжелых и громоздких однофазных электромашинных преобразователей, перешли на более теплостойкие электропровода, облегчили агрегаты СКВ, элементы изготовлявшиеся штамповкой и литьем стали делать с минусовыми допусками. Все мероприятия по уменьшению массы, даже с учетом увеличившейся массы новых двигателей, должны были обеспечить общее снижение массы пустого самолета на 2300-2700 кг.
Важным отличием Ту-22М3 от предыдущих модификаций стало использование в системе электроснабжения бесконтактных генераторов постоянного тока и интегральных гидромеханических приводов-генераторов переменного тока стабильной частоты, применение которых, помимо снижения массы агрегатов, позволило поднять надежность энергосистемы и качество бортового электропитания. Провели изменения в элементах навигационного комплекса. Рассматривали вопросы по расширению вариантов ударного вооружения и модернизации РЭП. В результате всех проведенных улучшений в конструкции самолета его летно-тактические характеристики наконец должны были достичь значений, соответствующих требованиям постановления 1967 года. Слаженная работа всех подразделений ОКБ и серийного завода позволила в кратчайшие сроки провести глубокую модернизацию самолета и подготовить к летным испытаниям первый опытный Ту-22М3, который совершил первый полет 20 июня 1977 года. После выполнения программы летно-доводочных испытаний Ту-22М3 с 1978 года запускается в серийное производство. До 1983 года Ту-22М3 строится параллельно с Ту-22М2, а начиная с 1984 года в серии идет только Ту-22М3. Всего на Казанском авиационно-производственном объединении (КАПО) построили 268 Ту-22М3. Испытания первых Ту-22М3 показали, что по своим летно-тактическим характеристикам самолеты новой модификации значительно превосходят Ту-22М2: максимальная скорость увеличилась до 2000-2300 км/ч, тактические радиусы действия - на 14-45 % в зависимости от режима полета. Суммарная боевая эффективность Ту-22М3 возросла по сравнению с Ту-22М2 в 2,2 раза. Совместные государственные испытания Ту-22М3 завершились в 1981 году и самолет был рекомендован к принятию на вооружение. С 1981 по 1984 годы самолет проходил дополнительный комплекс испытаний в варианте с расширенными боевыми возможностями. Новые системы вооружения потребовали дополнительного времени на их доводку и испытания, поэтому в окончательном виде Ту-22М3 официально принимается на вооружение только в марте 1989 года.

Помимо основных вариантов дальнего ракетоносца-бомбардировщика вооруженного бомбами и ракетами Х-22М. ОКБ подготовило и передало в производство несколько модификаций Ту-22М, отличавшихся от базовых составом вооружения и оборудования. Введение в состав прицельного комплекса аппаратуры разведки и целеуказания позволило довооружить Ту-22М противорадиолокационными ракетами. Еще в 70-ые годы применительно к Ту-22М2 начались работы по оснащению самолета аэробаллистическими ракетами малой дальности типа Х-15. В 80-е годы эти работы увенчались успехом - Ту-22М3 получил вариант ракетного вооружения с Х-15 на фюзеляжной многопозиционной катапультной установке и на крыльевых катапультных установках. 
В декабре 1985 года начались летные испытания дальнего самолета-разведчика Ту-22М3Р, спроектированного на базе Ту-22М3. Новый разведчик предназначался для замены в строевых частях самолетов Ту-22Р. Самолет-разведчик, предназначенный для для действий на сухопутных и морских ТВД, оснащался современным комплексом разведывательного оборудования, который в сочетании с высокими летными качествами самолета-носителя, обеспечивал значительное увеличение эффективности воздушной разведки. В оборудование входили РЛС бокового обзора, размещенная в гондоле под фюзеляжем, система радиотехнической разведки, тепловизионная разведывательная система, а также средства фоторазведки. В 1989 году самолет-разведчик под обозначением Ту-22МР передали в серийное производство. Построено или переоборудовано в разведывательный вариант из бомбардировщиков Ту-22М3 12 самолетов. АВналогичным образом с 1994 г. модернизируется в самолеты-разведчики и часть бомбардировщиков Ту-22М2.
Для замены самолетов-постановщиков помех Ту-22ПД, в 70-е годы была предпринята попытка создания постановщика на базе Ту-22М. В ходе этих работ переоборудовали в постановщик серийный Ту-22М2. Самолет, получивший обозначение Ту-22МП, проходил испытания, но в серию и на вооружение не передавался из-за недоведенности комплекса РЭП. Как отмечалось выше, на Ту-22М3 предполагалось устанавливать двигатели НК-32, тем самым улучшить его характеристики. Для испытаний новой силовой установки переоборудовали один из серийных Ту-22М3, но до установки новых двигателей дело не дошло, в дальнейшем эта машина использовалась в качестве летающей лаборатории для испытаний новых образцов оборудования и вооружения. В 1992 году ОКБ совместно с ЛИИ и ЦАГИ на базе одного из первых серийных Ту-22М3 создало летающую лабораторию Ту-22МЛЛ, предназначенную для проведения широкого круга натурных летных аэродинамических исследований. Помимо перечисленных построенных вариантов Ту-22М в ОКБ прорабатывались несколько проектов модификаций и модернизацией самолета, работы по которым не вышли из начальных стадий проектирования. В 1972 ОКБ для авиации ВМФ подготовило техническое предложение по кардинальной модернизации Ту-22М. Проект получил обозначение "45М". Согласно проекта, "45М" должен был оснащаться двумя двигателями НК-25 и по своей аэродинамической компоновке в какой-то степени напоминал американский разведчик SR-71, ударное вооружение - две ракеты Х-45. Существовали проекты создания на базе различных модификаций Ту-22М дальнего перехватчика Ту-22ДП (ДП-1), способного бороться не только с ударными самолетами на больших удалениях от защищаемых объектов, но и с самолетами ДРЛО, соединениями транспортных самолетов ("рейдеры"), а также выполнять ударные функции.
Помимо перечисленных существовали и другие проекты развития Ту-22М на основе применения модернизированных двигателей, новых систем оборудования и вооружения (Ту-22М4 и Ту-22М5).

Самолет Ту-22М выполнен по нормальной аэродинамической схеме с крылом изменяемой геометрии, цельноповоротным стабилизатором и однокилевым вертикальным оперением. Конструкция планера изготовлена, в основном, из алюминиевых сплавов.
Крыло состоит из неподвижной части и поворотных консолей (на Ту-22М3 могут устанавливаться в положение с углом стреловидности 20°, 30° и 65°, на самолетах более ранних модификаций максимальный угол стреловидности ограничен величиной 60°). В районе поворотного узла расположены аэродинамические гребни, препятствующие перетеканию воздуха к консолям.
На носке консолей по всему размаху установлены предкрылки. На задней кромке имеются элевоны и трехсекционные закрылки, перед которыми установлены трехсекционные интерцепторы.
Дифференциально отклоняемое горизонтальное оперение обеспечивает продольное управление самолетом и дублирует органы поперечного управления при выходе их из строя.

На Ту-22М3 и Ту-22МР установлены ДТРДФ НК-25 (2 х 14.500/25.000 кгс).
Система управления двигателем — электрическая, с гидромеханическим дублированием.
Топливо размещено в интегральных баках, расположенных в центральной части фюзеляжа, в нижней части киля, центроплане, неподвижной и подвижной частях крыла. Общая емкость баков - 50.000 л, заправка выполняется в течение 25-30 мин.
В форкиле размещена ВСУ. В хвостовой части фюзеляжа имеются узлы навески двух стартовых ускорителей.

На самолете установлен комплекс пилотажно-навигационного оборудования, включающее инерциальную навигационную систему повышенной точности. Система автоматического управления полетом обеспечивает полет по заданному маршруту с выдерживанием запрограммированного профиля. В состав бортового комплекса включена ЦВМ.
Ту-22М3 оснащен прицельно-навигационной системой, включающей РЛС большой мощности ПНА (разработчик - НПО «Ленинец»), и оптическим бомбардировочным прицелом с телевизионным каналом, способным применяться в темное и светлое время суток. Имеется дублированная ИНС, радионавигационное оборудование. Маловысотный полет обеспечивает система автоматического поддержания высоты, получающая информацию от радиовысотомера.
Для дистанционного управления оборонительным вооружением в хвостовой части фюзеляжа, под килем, размещена РЛС и телевизионный прицел.
Средства РЭП включают системы радиолокационной разведки и оповещения об облучении, активные системы постановки радиолокационных помех, устройства выброса дипольных отражателей и тепловых ловушек (блоки выброса пассивных помех размещены в районе узлов крепления поворотных стабилизаторов).
Для оповещения о подлете ракет противника в верхней части фюзеляжа, за кабиной экипажа, расположена ИК станция с полусферическим обтекателем фасеточной формы.

Ракетное вооружение самолета Ту-22М3 состоит из одной (под фюзеляжем в полуутопленном положении), двух (под крылом) или трех (перегрузочный вариант) УР Х-22МА, предназначенных для поражения крупных морских и радиолокационно-контрастных наземных целей на дальностях 140-500 км. Стартовая масса ракеты 5900 кг, длина 11,3 м, максимальная скорость соответствует М=3.
Вооружение бомбардировщика дополнено гиперзвуковыми (М=5) аэробаллистическими ракетами малой дальности Х-15, предназначенными для уничтожения стационарных наземных целей или РЛС противника. Шесть ракет могут размещаются в фюзеляже на многопозиционной барабанной ПУ, еще четыре ракеты подвешиваются на внешних узлах под крылом и фюзеляжем.
Бомбовое вооружение, состоящее из обычных и ядерных свободнопадающих бомб общей массой до 24.000 кг, располагается в фюзеляже (до 12000 кг) и на четырех узлах внешней подвески на девятизамковых балочных держателях МБДЗ-У9-502 (типовые варианты бомбовой нагрузки - 69 ФАБ-250 или восемь ФАБ-1500). В перспективе возможно вооружение самолета Ту-22М3 высокоточными корректируемыми бомбами, а также новыми КР для поражения наземных и морских целей.
Оборонительное вооружение - одна пушка ГШ-23 с укороченным блоком стволов, установленных вертикально и имеющей увеличенную до 4000 выстр/мин скорострельность. Управление пушечным огнем - дистанционное, по телевизионному и радиолокационному каналам.

Первыми из строевых частей в Дальней авиации Ту-22М получил 185-й Гвардейский ТБАП в Полтаве (командир полка П.С.Дейнекин, в последствии Главком российских ВВС). В сентябре 1974 года в Полтаву пришли две машины, а в сентябре три машины. Личный состав полка переучивался на Ту-22М2 с Ту-16, что было типично, полки вооруженные Ту-22 не перевооружались на новую технику, а еще долго продолжали летать на своих "аннушках". Полк достаточно быстро освоил новые машины и комплекс, начались первые пуски ракет Х-22М. В том же 1974 году Ту-22М2 начали поступать в строевые части авиации ВМФ. В течение 70-х и 80-х годов еще несколько полков ДА и авиации ВМФ перешли на Ту-22М2 и Ту-22М3. Согласно официальным данным на 1990 год в Европейской части СССР базировалось 257 Ту-22М2 и Ту-22М3, которые состояли на вооружении 12 полков ДА и авиации ВМФ (4 полка базировались в России, 5 полков - на Украине, 2 - в Белоруссии и 1 полк - в Эстонии). Еще около 60 машин эксплуатировались в полках, находившихся в Азиатской части СССР (полк ДА в Белой и два полка в составе ТОФ). После развала СССР самолеты Ту-22М остались только в составе ВВС России и Украины, из Белоруссии самолеты вывели на территорию России. Самолетам Ту-22М2 и Ту-22М3 пришлось поучаствовать в боевых действиях в ходе Афганской войны. Впервые в 1984 году в боях приняли участие Ту-22М2 1225-го ТБАП из Белой, базируясь на аэродроме Мары-2, они наносили мощные бомбовые удары по позициям и базам "моджахедов" в ходе Панджерской операции 40-й армии. Второй раз самолеты типа Ту-22М привлекались к боевым действиям осенью 1988 года, когда начался вывод частей 40-й армии из Афганистана. К операциям по локализации противника и обеспечению безопасного выхода наземных частей, на сей раз привлекли 185-й Гв.ТБАП на Ту-22М3, который затем сменили Ту-22М3 402-го ТБАП из Орши, а затем Ту-22М3 840 -го ТБАП из Сольцов. Самолеты в полетах на бомбометание от пакистанской ПВО прикрывали постановщики помех Ту-22ПД из состава 341-го ТБАП. Благодаря массированному применению бомбардировщиков ДА (Ту-16, Ту-22М3), наносивших удары бомбами калибром до 9 тонн (Ту-22М3 до 3 тонн), удалось обеспечить сравнительно "комфортные" условия вывода частей 40-й армии. В начале 1989 года последние Ту-22М3 покинули аэродром Мары-2 и вернулись на места своей постоянной дислокации. За успешные боевые действия в Афганистане многие летчики, участвовавшие в боевых вылетах получили высокие правительственные награды.

ВВС России располагает 130 самолетами Ту-22М. Еще 105 машин этого типа имелось в морской авиации. В результате сокращения российской авиации в строю сохранятся лишь бомбардировщики Ту-22М3 и их варианты. Украина имеет в составе своих ВВС 55 самолетов типа Ту-22М.
Рассматривалась возможность продажи экспортного варианта самолета Ту-22М3 зарубежным странам (в качестве потенциальных покупателей назывались такие страны, как Иран и Китай), однако по ряду политических причин до настоящего времени ни одного контракта так и не было заключено.
В настоящее время ОКБ продолжает работы по дальнейшей модернизации Ту-22М. Самолет должен получить высокоточное вооружение, обеспечивающее поражение не только стационарных стратегических и крупных подвижных целей, но и малоразмерных тактических целей. Предусматривается совершенствование БРЭО (в частности, установка новой БРЛС), снижение радиолокационной заметности. Ведутся работы по продлению срока службы самолетов до 35 лет. Таким образом, Ту-22М еще долго будет составлять основу ударной мощи наших Дальней авиации и авиации ВМФ.