Ракета Х-22М на подкрыльевом пилоне Ту-22М3
Помимо боевых ракет, серийно производился контейнер-имитатор в корпусе Х-22, содержавший аппаратуру ГСН и аналоги оборудования, но без БЧ, двигателя и топлива. Использование учебного контейнера позволяло выполнять тактические пуски со всех трех точек Ту-22М и учебных Ту-134УБК, обеспечивая тренировки экипажей и экономя боевые Х-22 (после нескольких полетов на подвеске с вибрациями, нагрузками и работой под током их начинка могла выйти из строя).
Ракеты типа Х-22 послужили также основой при постройке беспилотных ракет-мишеней, имитировавших полет сверхзвуковых АКР при тренировках расчетов ЗРК и истребителей.
Освоение нового комплекса началось в морской авиации - первыми в августе 1973 года к его изучению приступили в 540-м МРАП 33-го учебного центра АВМФ в Николаеве. Подготовка велась с использованием предсерийных самолетов Ту-22М. Вскоре на полигоне экипажем подполковника А.С. Ващенко был произведен пуск ракеты Х-22М. В сентябре следующего года началось перевооружение новыми самолетами первой строевой части АВМФ - 943-го МРАП авиации Черноморского флота на аэродроме Октябрьское в Крыму. 17 апреля 1975 года экипаж полка п/п-ка Задирако успешно провел первые в части ракетные стрельбы.
Следующим стал балтийский 240-й МРАП на аэродроме Быхов, приступивший к освоению Ту-22М2 в марте 1976 года. Через год, 14 апреля 1977 года, экипаж майора Бумагина первым в полку отстрелялся ракетами на полигоне. 240-й МРАП отметился также тем, что именно его Ту-22М2 с ракетами были впервые замечены западными наблюдателями во время крупных учений в июне 1978 года, сделав достоянием гласности появление нового советского ракетоносца. Любопытно, что склонные к преувеличению «советской угрозы» иностранные военные эксперты приписывали его ракетам скорость М=4,6 и дальность под 500 км.
В последующие годы Ту-22М2 и М3 в морской ракетоносной авиации были оснащены также черноморский 5-й МРАП в Веселом, 574-й и 924-й МРАП Северного флота, 568-й и 570-й МРАП Тихоокеанского флота.
В ДА новые самолеты поступили несколько позже - командование, неудовлетворенное полуучеными поначалу характеристиками комплекса, особенно по скорости, дальности и надежности, требовало их доведения до заданных. Лидерным в ВВС на новой технике стал полтавский 185-й гв. ТБАП п-ка П.С. Дейнекина (впоследствии - Главкома ВВС России).
Освоение самолета в полку началось в сентябре 1974 года, через полгода экипажи приступили к ракетным стрельбам. Число машин в ВВС быстро росло, и к 1991 году ими были вооружены 8 полков ДА. Эти самолеты имела и морская авиация в составе 7 МРАП. Большая их часть была сосредоточена в западной части СССР, где, по представленным на международных переговорах данным, к октябрю 1990 года находилось 257 машин.
Эксплуатация К-22М на Ту-22М2 и М3 на первых порах сопровождалась рядом казусов, связанных с особенностью подфюзеляжной подвески ракеты. Ее трехметровое крыло препятствовало открытию створок основного шасси, в которых потребовалось обустроить дополнительные подпружиненные щитки, куда и пропускались консоли ракеты. Однако эта схема штатно работала при убранной подвеске, если же штурман забывал убрать держатель с ракетой после тактического пуска, выпуск шасси на посадке неминуемо сопровождался смятием его створок и поломкой крыла ракеты.
То же происходило и при выпуске ракеты для предполетного осмотра при открытых створках, что случалось едва ли не в каждой части. Курьезное происшествие произошло в 943-м МРАП в феврале 1976 года, когда штурман покидая самолет после полета, поставил свой портфель на панель управления вооружением, люки тут же открылись и ударили по подвеске. В 184-м ТБАП однажды экипаж посадил Ту-22М3, так и не убрав подвеску. Ракета (к счастью, не заправленная) прошла по бетону и стесала нижнюю часть.