Самолет проектировался как развитие Ту-22М. Ту-22М2 в крупной серии собирались строить с улучшенными двигателями НК-22. Предусматривалась возможность взаимозаменяемости двигателей НК-22 с более мощными и более экономичными двигателями НК-25. За счет конструктивно-технологических мероприятий, массу самолета предполагалось снизить приблизительно на 1400-1500 кг. Улучшалась аэродинамика самолета. Самолет должен был строиться в серии как дальний ракетоносец-бомбардировщик с современным оборудованием, позволявшим решать широкий круг задач по боевому использованию самолета-носителя Ту-22М2 и всего комплекса К-22М. Оборудование было структурировано в несколько взаимосвязанных бортовых систем различного назначения (навигационный комплекс НК-45, автоматическая бортовая система АБСу-145М, панорамно-прицельная радиолокационная станция ПНА и связанный с ней оптический бомбардировочный прицел ОПБ-15Т с телевизионной приставкой, стрелковый радиолокационный прицел ПРС-4КМ и телевизионный прицел ТП-1КМ, развитая индивидуальная система РЭП и т.д.). В варианте ракетоносца Ту-22М2 мог нести от одной до трех ракет типа Х-22М с различными типами ГСН.
Переоборудование в бомбардировщик предусматривалось в условиях войсковых частей, при этом максимальная нагрузка, состоявшая из обычных, ядерных бомб и мин равнялась 24 тоннам. С одной подфюзеляжной ракетой Ту-22М2 дальность полета на дозвуке предполагалось получить 5400-5600 км, на сверхзвуке -1850-1900 км, максимальную скорость полета - 1850-2000 км/ч и длину разбега - 2200-2400 м. Головной Ту-22М2 совершил первый полет 7 мая 1973 года, совместные испытания и доводки проводились на нескольких машинах до 1975 года.