Проблематичным оказалось создание силовой установки. Так как самолет должен был совершать длительный полет на сверхзвуковой скорости, требовались двигатели с тягой не менее 17000 кгс, причем бесфорсажной (ввиду большого расхода топлива форсажный режим не подходил). Технические требования к двигателю разослали нескольким моторостроительным КБ. А.А. Микулин ответил кратко - достижение таких характеристик невозможно. В.А. Добрынин представил проект ВД-10. Лучшим оказался проект под шифром «16-17», разработанный в ОКБ П.Ф. Зубца. Двигатели «16-17» обещали иметь удельный расход топлива не более 1,1-1,12 кг/даНч при полете со скоростью, соответствующей М=1,8, и статическую тягу 166,7 кН (17000 кгс).

Одним из первых серьезных исследований стал поиск оптимального размещения двигателей. Требовалось обеспечить наилучшее положение воздухозаборников, минимизировать аэродинамическое сопротивление и максимально упростить конструкцию. Прорабатывались варианты с мотогондолами, объединенными попарно вертикально либо горизонтально, подвески двух двигателей на пилонах под крылом и двух по бокам хвостовой части фюзеляжа и иные способы. В конечном итоге лучшим признали вариант размещения двух двигателей на пилонах под крылом, а двух - на его концах.

Вариант компоновки М-50	Вариант компоновки М-50
Модель бомбардировщика М-52	Один из первых вариантов М-56

Ахиллесовой пятой большинства советских боевых самолетов была недостаточная дальность полета. Не минула сия чаша и стратегическую авиацию. Компенсировать этот недостаток призвано было управляемое ракетное оружие, расширявшее радиус действия бомбардировщиков на несколько сотен километров и позволявшее поражать цели, не входя в зону их ПВО. Типичным примером стало создание одновременно с М-50 крылатой ракеты класса «воздух-земля» М-61, имевшей дальность пуска до 1000 км. Размещать одну такую ракету предполагалось в бомбоотсеке М-50.

27октября 1959 г. пилотируемый Николаем Иосифовичем Горяйновым прототип М-50 поднялся в воздух. Так как на момент начала испытаний двигатели конструкции Зубца еще не были доведены, то на прототип установили четыре менее мощных мотора ВД-7 (по 9750 кгс) конструкции Добрынина. Для увеличения тяги до 14000 кгс два подкрыльевых двигателя оборудовали форсажными камерами. Однако это не помогло: М-50 так и не преодолел скорость звука, «упершись» в М=0,99. Кроме этой неудачи и одной мелкой аварии, прочие испытания самолета, проводимые Н. Горяйновым и А. Липко, проходили гладко. Была выявлена несколько избыточная эффективность цельноповоротного вертикального оперения.

В ходе испытаний самолет имел бортовой номер «023», однако перед первой публичной демонстрацией 9 июля 1960 г. номер изменили на «12». Над аэродромом Тушино М-50, пилотируемый Н. Горяйновым, в сопровождении двух МиГ-21 выполнил эффектный пролет. На Западе самолет произвел впечатление, ему присвоили код НАТО Bounder и даже поговаривали о серийном производстве. Но в это время, осенью 1960 г., В.М. Мясищева назначили начальником ЦАГИ, а ОКБ-23 расформировали. Коллектив переподчинили В.Н. Челомею, создававшему космическую технику, а М-50 впоследствии передали в музей в Монино. Распад фирмы не позволил довести построенные самолеты и доработать проекты. Повсеместное увлечение баллистическими ракетами, казалось, «поставило точку» на стратегической авиации.

Но до расформирования ОКБ работы по бомбардировщикам шли полным ходом. Сразу же после М-50 началось проектирование его модификации М-52, на которой подкрыльевые мотогондолы устанавливались под значительным углом к плоскости крыла, а внешние имели несколько иные пилоны. На М-52 установили дополнительное горизонтальное оперение на вершине киля, провели внутренние доработки. Предполагалось установить систему дозаправки топливом в воздухе. Вооружение состояло из четырех ракет класса «воздух-земля». Первый экземпляр М-52, оснащенный двигателями «16-17», был построен, однако не испытывался и пошел на слом.

Лишь на бумаге и в моделях существовал проект М-54. От М-50 он отличался крылом с небольшой стреловидностью по задней кромке. На нем также анализировались различные варианты расположения мотогондол.