Отличия ракетоносца Ту-95К («самолета ВК») от исходной модели бомбардировщика («самолета В») были меньше, чем у самолета-снаряда в сравнении с истребителем, но также весьма значительны. Наиболее заметным было изменение носовой части — впереди шпангоута №3 взамен остекленного фонаря и кабины штурмана установили негерметичный отсек со станцией ЯД, обеспечивающей:
—   обзор местности;
—   выдачу направления и дальности до цели;
—   автоматический захват и слежение за Х-20;
—   передачу управляющих команд на Х-20.

Станция состояла из двух антенн. Внизу располагалась большая антенна обнаружения и сопровождения цели ЯД-1-1, сопряженная с приемопередатчиками ЯД-1-3 и ЯД-6, а над ней — меньшая антенна наведения самолета-снаряда ЯД-1-2, сопряженная с передатчиком ЯД-1-4.

С Ту-95 предусматривалось снять:
—    радиолокационную станцию РБП-4;
—    РЛС ПР-1 или «Натрий»;
—    радиокомпас АРК-5 №2;
—    дистанциометр СД-1;
—    командную радиостанцию РСБ-7С;
—    прицел ОПБ-11Р;
—    стабилизатор прицела АП-15;
—    аппаратуру дальней навигации «Меридиан»;
—    электросбрасыватель с реле времени;
—    астросекстант ИАС-1;
—    астрокомпас;
—    носовую прицельную станцию;
—    пульт сброса бомб.

Помимо этого, фюзеляж в зоне от 23 до 56 шпангоута был доработан для размещения самолета-снаряда с обеспечением выреза под киль начиная с 46 шпангоута. Это привело к изменениям в размещении фюзеляжных топливных баков, их объемов и формы. В частности, для высвобождения места под самолет-снаряд бак №2 был поднят из-под центроплана вверх, а баки №4 и №5 — разрезаны надвое для размещения между ними киля самолета-снаряда.

Экипаж — 8 человек предусматривалось разместить в двух гермокабинах.

В передней находились командир, второй пилот, штурман (позади командира), бортинженер (позади второго летчика, лицом к хвосту), оператор РЛС «ЯД» (по оси) и верхний стрелок-радист (по оси, лицом к хвосту). В кормовой гермокабине размещались нижний стрелок и старший стрелок.

 Ту-95К с ракетой Х-20М

Для проведения испытаний в августе 1956 г. в Ту-95К был переоборудован Ту-95 (заводской №4800404), который за оставшиеся четыре месяца этого года выполнил 25 полетов по трем этапам испытаний. В 1957 г. на испытания поступил второй переоборудованный самолет (заводской №4800001). На нем велась отладка аппаратуры КБ-1, а на первом Ту-95К — отработка запуска двигателя подвески первых опытных Х-20.

Кроме того, два МиГ-19 (заводские номера 59210105 и 59210425) были переоборудованы в СМ-20/1 и СМ-20/2, получив, соответственно, бортовые номера 105 и 625. При переоборудовании, помимо установки устройств подвески под носитель, на СМ-20 за счет уменьшения объема топливного бака №1 и введения подфюзеляжного обтекателя устанавливалась аппаратура ЯР.

В 1957 г. самолеты-аналоги выполнили 27 полетов с аэродрома и 32 — с носителя. В октябре следующего года самолеты передали на полигон во Владимировку для проведения испытаний аппаратуры на помехозащищенность. В ходе этих испытаний в мае — августе 1958 г. СМ-20/1 выполнил 9 полетов, в том числе 7 — с отцепкой от носителя.

Выполнив в общей сложности более 150 полетов оба СМ-20 выработали ресурс, после чего с них сняли аппаратуру КБ-1, а затем списали.

Первый пуск Х-20 состоялся 17 марта 1958 г. при высоте полета носителя 12,5 км. Из-за нештатного режима расхода топлива самолет-снаряд не долетел до цели.

Следующий пуск был осуществлен спустя месяц, а после четвертого пуска, выполненного 29 июля, было решено перейти к этапу государственных испытаний.

В те годы ядерное оружие совершенствовалось исключительно быстро. Поэтому основные требования к системе К-20 были откорректированы в части применения нового заряда, а наименование самолета-снаряда было изменено на Х-20М. В дальнейшем на испытания стали поступать уже доработанные образцы — самолеты-снаряды Х-20М.

Летная отработка шла не без трудностей, связанных в основном с двигателем и с аппаратурой управления. В целом отработка двигателей АЛ-7Ф — первого ТРДФ со сверхзвуковой ступенью компрессора — шла с немалыми муками. К началу летных испытаний Х-20, оснащенные аналогичными двигателями Су-7 уже внедрялись в серийное производство на заводе в Комсомольске-на-Амуре, но специфика функционирования АЛ-7Ф в составе самолета-снаряда (многочасовое охлаждение при полете в стратосфере в район цели, запуск на большой высоте) потребовали внесения ряда доработок. Довольно долго не удавалось обеспечить надежный запуск двигателя самолета-снаряда при температуре ниже, чем -60 °С. Для самолета-снаряда была разработана модификация двигателя АЛ-7Ф-1 с сужающимся соплом, получившая наименование АЛ-7ФК (К  - короткоресурсный).

Дорабатывался и сам самолет-снаряд — был увеличен канал забора воздуха, изменена конструкция входного конуса.

На Ту-95К применили обтекатель, прикрывающий воздухозаборник самолета-снаряда при нахождении его в полуутопленном положении.

Завод в Куйбышеве начал серийный выпуск ракетоносцев специальной постройки. К концу 1958 г. предполагалось иметь 4 Ту-95К.

Госиспытания с пусками 16 самолетов-снарядов были в целом успешно проведены с 15 октября 1958 г. по 1 ноября 1959 г. Из 14 пусков, осуществленных в 1959 г., 11 были выполнены успешно. Так как на госиспытаниях все-таки не удалось получить достаточно полной информации по функционированию взрывателей боевой части, Д.Ф.Устинов 23 января 1960 г. дал указание провести еще два пуска, которые и были выполнены с удовлетворительными результатами 16 и 23 марта.