Обеспечение заданных требований, особенно по скорости и дальности полета, давалось нелегко. В ходе испытаний Ту-22М2 были достигнуты максимальная скорость, равная 1800 км/ч, и дальность полета – 5100 км. Возникла необходимость дальнейшей модернизации самолета. И вообще, вся история Ту-22М – это история многотрудной «борьбы за скорость». Прежде всего требовалось увеличить тягу двигателей. Возможности НК-22 были практически исчерпаны, а попытки его форсирования (двигатель НК-23) успеха не принесли: последний так и остался в опытном экземпляре, хотя и был испытан в полете. В начале 70-х ОКБ Н. Кузнецова создало новый, выполненный по трехвальной схеме двигатель с системой управления, насыщенной электроникой. Статическая тяга двигателя, получившего обозначение НК-25, достигла 25 тыс. кгс при меньшем удельном расходе топлива. В 1974 году один из серийных Ту-22М2 переоборудовали под новые двигатели и выпустили на испытания. Самолет получил обозначение Ту-22М2Е.
В последующие два года одновременно с Ту-22М2Е проходил испытания НК-25 на летающей лаборатории Ту-142ЛЛ, где отрабатывались также элементы топливной автоматики и другие системы силовой установки. Однако конструкторам уже стало ясно, что решить проблему «в лоб», одной только установкой более мощного (но и более тяжелого) двигателя, вряд ли удастся. Требовалось провести целый комплекс работ по совершенствованию конструкции самолета, улучшению аэродинамики, снижению массы.
С этой целью существенно доработали первую опытную машину Ту-22М1 и НК-22. Для нового двигателя, отличавшегося большим расходом воздуха, разработали воздухозаборник новой конструкции – с верхнерасположенным горизонтальным клином и скошенными боковыми кромками. Такая компоновка обеспечивала и лучшее аэродинамическое качество. Обводы самолета были значительно «облагорожены»: удлинена на 0,8 м и заострена носовая часть фюзеляжа, увеличен (с 60 до о5°) максимальный угол стреловидности ПЧК, улучшена местная аэродинамика. «Обжатию» подвергли и хвостовую часть фюзеляжа – в кормовой пушечной установке оставили лишь одну пушку ГШ-23, развернув ее стволы в вертикальной плоскости.
Удалось добиться некоторого облегчения силовых элементов, в частности шасси. Следует отметить, что на Ту-22М устанавливали трехосное шасси рычажно-балансирной схемы и на первых серийных самолетах применялась раздвижка колес средней пары. Предполагалось, что это увеличит проходимость при эксплуатации самолета с грунтовых ВПП. Однако проведенные испытания показали невысокую эффективность данной системы, да и сама проблема эксплуатации столь тяжелых машин с грунтовых ВПП была малоактуальной. Поэтому от идеи раздвижки колес вскоре отказались и на серийные машины стали устанавливать облегченное шасси. В то же время на основе опыта применения первых Ту-22М усилили конструкцию крыла.