На базе ТРДДФ НК-22 в ОКБ Н. Кузнецова был разработан новый, более мощный и экономичный трехвальный двигатель с электронной системой управления НК-25. В 1974 г. его установили на специально переоборудованный Ту-22М-2, получивший обозначение Ту-22М-2Е. Под новый двигатель в 1977 г. была создана следующая модификация бомбардировщика - Ту-22М-3. Самолет имел новый воздухозаборник с горизонтальным клином, что обеспечило двигателю лучшие условия работы. Аэродинамика самолета была улучшена за счет придания удлиненной на 0,8 м носовой части фюзеляжа более острых обводов. Кроме того, в соответствии с протоколом договора ОСВ-2, была демонтирована штанга топливоприемника системы дозаправки в воздухе (впрочем, на первых серийных Ту-22М-3 штангу успели установить и она была снята уже позже, после передачи бомбардировщиков в строевые части). Максимальный угол стреловидности крыла для достижения более высоких скоростных характеристик был увеличен с 60 до 65°. Удалось облегчить ряд силовых элементов планера. С целью снижения массы отказались и от раздвижения средней пары колес основного шасси (практика показала, что эксплуатация самолетов класса Ту-22М с грунтовых ВПП - дело весьма сомнительное), вместо двух пушек ГШ-23 в более узкой хвостовой части фюзеляжа оставили лишь одну. Была несколько усилена конструкция крыла. Более компактной и эффективной стала система кондиционирования воздуха, была улучшена компоновка кабин экипажа.
Ракетное вооружение самолета было значительно усилено: в дополнение к противокорабельным крылатым ракетам типа Х-22 самолет получил аэробаллистические ракеты малой дальности Х-15 (шесть УР этого типа разместились на многопозиционной пусковой установке в фюзеляже и еще четыре ракеты - на внешних узлах подвески).
Первый полет Ту-22М-3 состоялся 20 июня 1977 г., а в 1983 г. самолет был принят на вооружение ВВС. По сравнению с Ту-22М-2 новый самолет имел на 14 45% (в зависимости от профиля полета) больший тактический радиус действия. При базировании на удалении 800 км от линии фронта глубина боевых действий у Ту-22М-3 увеличилась на 20% при полете по высотному профилю и на 170% при полете на малой высоте. Суммарная боевая эффективность Ту-22М-3 возросла по сравнению с Ту-22М-2 в 2,2 раза. До 1993 г. выпущено 268 самолетов Ту-22МЗ.
В 1985 г. создан разведывательный самолет Ту-22МР, переданный в серийное производство (построено несколько машин этого типа). В1996 г. 130 бомбардировщиков Ту-22М-2 и Ту-22М-3 находились в составе ДА и 130 - в авиации ВМФ России. 29 самолетами типа Ту-22М располагала Украина. В январе 19% г. ВВС Украины были переданы первые четыре самолета Ту-22М-3 из состава авиации Черноморского флота, ранее находившиеся под контролем России.
