На первом опытном экземпляре бомбардировщика, самолете «95-1», было решено установить четыре ТВД 2ТВ-2Ф (4 х 12000 л. с), на втором, «95-2» — двигатели ТВ-12 (прототип НК-12,12.500 л. с.) Н.Д. Кузнецова.

Первый полет бомбардировщика «95-1» состоялся 12 ноября 1952 г. (командир корабля — А. Перелет). В 1953 году, в 17-м испытательном полете, этот самолет потерпел катастрофу. Второй опытный самолет, «95-2», совершил первый полет 16 февраля 1955 г. (командир — М. Нюхтиков). В ходе государственных испытаний, проводившихся в 1955—1956 гг., на этой машине при взлетной массе 167.200 кг была достигнута максимальная скорость 882 км/ч (рекордная для самолетов с винтовыми движителями) и практическая дальность (т. е. дальность с АНЗ и сбросом нормальной бомбовой нагрузки после преодоления половины маршрута) 15.040 км. Для сравнения, техническая (т. е. чисто расчетная, до полной выработки топлива) дальность американского реактивного стратегического бомбардировщика Боинг В-52В «Стратофортресс», также совершившего первый полет в 1955 году и имевшего максимальную взлетную массу 190.500 кг, составляла 11.530 км, а максимальная скорость — 957 км/ч.

В августе 1955 г. в Куйбышеве был построен первый серийный бомбардировщик Ту-95, отличавшийся от самолета «95-2» фюзеляжем, удлиненным на 2 м. Максимальная взлетная масса серийных Ту-95 составляла 172.000 кг, а практическая дальность полета — 12.100 км.

Ту-95МС

В 1957 году был начат серийный выпуск бомбардировщиков Ту-95М, оснащенных более мощными двигателями НК-12М (4 х 15000 л. с.) и имевших максимальную взлетную массу 182.000 кг. Скорость этих машин достигла 920 км/ч, практическая дальность — 13.200 км, а техническая дальность — 16.750 км (американский аналог В-52Е выпуска 1957 года имел максимальную взлетную массу 204.100 кг, техническую дальность 12.300 км и максимальную скорость 960 км/ч). В 1955— 1958 гг. в Куйбышеве на заводе №18 был построен 31 самолет Ту-95 и 19 — Ту-95М. В дальнейшем все бомбардировщики Ту-95 были доработаны до уровня Ту-95М. Эти машины оставались в строю до середины 80-х годов, после чего часть их была переоборудована в учебно-тренировочные самолеты Ту-95У, использовавшиеся до начала 1990-х.

Для военно-морского флота в 1962 году был создан разведчик-целеуказатель Ту-95РЦ, принятый на вооружение в 1966 году (выпущено 53 самолета).

Для Дальней авиации в 1964 году создается стратегический разведывательный самолет Ту-95РА с аппаратурой для ведения радиотехнической и фоторазведки. Этот самолет стал первым из семейства «девяностопятых», получившим систему дозаправки топливом в полете типа «шланг—конус». Четыре Ту-95МР эксплуатировались до второй половины 80-х, после чего были переоборудованы в учебные Ту-95У (в настоящее время утилизированы).

Еще на этапе проектирования самолета Ту-95 рассматривалась возможность использования его в качестве носителя управляемых снарядов класса «воздух—поверхность». 11 марта 1954 г. вышло совместное партийно-правительственное постановление, в соответствии с которым ОКБ А.Н. Туполева поручалось разработать на базе бомбардировщика Ту-95М самолет-носитель Ту-95К для ракетного комплекса К-20. Сверхзвуковая крылатая ракета (КР) большой дальности Х-20, входящая в комплекс, разрабатывалась в ОКБ А.Н. Микояна. Она размещалась под фюзеляжем самолета в полуутопленном положении и предназначалась для поражения как наземных, так и морских целей.

Первый опытный Ту-95К поднялся в воздух 1 января 1956 г., а 6 июня 1957 г. с борта самолета-носителя был выполнен первый пуск КР Х-20. 9 сентября 1960 г. комплекс К-20 был принят на вооружение. Несколько раньше, в марте 1958-го, в Куйбышеве начался серийный выпуск самолетов Ту-95К, продолжавшийся до 1962 года (построено 48 машин). В дальнейшем большинство этих самолетов было доработано в вариант Ту-95КД, сохранявшийся на вооружении до середины 80-х годов, после чего часть ракетоносцев переоборудовали в учебные Ту-95КУ, а остальные — утилизировали.

Подвеска под фюзеляжем самолета Ту-95К крупногабаритной ракеты привела к уменьшению дальности (по сравнению с бомбардировщиком Ту-95М) на 2000 км. В связи с этим в 1958 году было принято решение оснастить ракетоносцы системой дозаправки топливом в полете типа «шланг—конус», уже отработанной на стратегических бомбардировщиках М-4 В.М. Мясищева. 5 июля 1961 г. начались летные испытания самолета Ту-95КД, получившего штангу топливоприемника, установленную в носовой части фюзеляжа, а также централизованную систему наземной заправки топливом. В 1962 году начался серийный выпуск ракетоносцев Ту-95КД (до 1965 года построено 23 самолета). Часть Ту-95К также была доработана до уровня Ту-95КД.

В середине 60-х гг. на ракетоносцах Ту-95К-20 и КД была проведена модернизация БРЭО, после чего этим самолетам было присвоено обозначение Ту-95КМ. Машины получили на вооружение усовершенствованную крылатую ракету Х-20М с максимальной дальностью пуска 600 км.

В 1963 году в ОКБ А.Н. Туполева начались поисковые работы по оснащению Ту-95КМ ракетой нового поколения типа Х-22, имеющей автономную систему наведения и предназначенной для поражения авианосных ударных групп, а также стационарных береговых целей. По ряду причин работы затянулись, и первый переоборудованный самолет впервые поднялся в воздух лишь 30 октября 1973 г. В 1981 году с Ту-95К-22 начались боевые пуски ракет, а в 1987 году комплекс был официально принят на вооружение.

В начале 70-х годов на МКБ «Радуга» под руководством генерального конструктора И.С. Селезнева начались работы по созданию малогабаритных стратегических авиационных крылатых ракет Х-55. В качестве носителя нового оружия был предложен модернизированный вариант самолета Ту-142М, получивший обозначение Ту-142МС (в формировании концепции этого комплекса значительный вклад принадлежит ученым ЦАГИ). Первоначально Ту-142МС рассматривался в качестве альтернативы более сложному и дорогостоящему многорежимному бомбардировщику Ту-160, также оснащенному КР. В дальнейшем было принято решение продолжать работы по программам параллельно.

Первоначально предполагалось оборудовать самолет двумя грузоотсеками, каждый из которых должен был вмещать шесть КР на многопозиционных барабанных ПУ. Однако сложности с обеспечением приемлемой центровки, а также большой объем доработок заставили конструкторов ограничиться одним грузоотсеком на шесть ракет. Бомбардировщик получил, также, усовершенствованные, более экономичные двигатели НК-12МП с новым приводом более мощного генератора переменного тока.