Основные работы по созданию Ту-2Ш также осуществлялись уже в послевоенный период. В 1946 году рассматривался вариант двухместного штурмовика, на котором, помимо «штатных» 20-мм пушек ШВАК, устанавливалась бы в носовой части батарея из двух 45-мм пушек НС-45 и двух 37-мм пушек НС-37. В этом же году проходил испытания самолет, на котором была установлена бикалиберная пушка РШР-57/45 с возможностью оборудования сменными стволами калибра 57 мм или 45 мм. Ни один из этих самолетов в серии не выпускался.
Высокая скорость туполевского самолета изначально способствовала планированию создания на его базе и тяжелого истребителя. Однако в связи со всеми вышеназванными обстоятельствами реализацией этих замыслов занялись только в 1943 году. Переоборудованию в ночной истребитель подвергся серийный Ту-2, на который установили РЛС ПНБ-4 (прибор ночного боя) и дополнительные две пушки ВЯ-23 в носовой части. Испытания самолета, предварительно именовавшегося Ту-2П, продолжались до лета 1945 года, результат был признан неудовлетворительным. Уже в послевоенный период были предприняты попытки создать истребитель на базе опытного бомбардировщика «63-2», на котором заменили двигатели АМ-39ф на более мощные 2300-сильные АМ-43 и установили уже серийно выпускающуюся РЛС «Гнейс-5». 20-мм пушки ШВАК заменили на ВЯ-23 калибра 23 мм, а в носовой части установили пару 45-мм пушек НС-45. При этом самолет «63П», или Ту-1, сохранил оборонительное вооружение и оборудование для бомбометания. Рассматривался также вариант истребителя сопровождения, имеющего в составе вооружения пять пушек ВЯ-23. Но до серийного выпуска истребителя Туполева дело не дошло.
Осенью 1943 года ОКБ Туполева снова вернулось к теме тяжелых бомбардировщиков. В письме, направленном в адрес Туполева заместителем наркома авиационной промышленности А.С. Яковлевым, ему поручалось приступить к созданию тяжелого высотного 4-моторного бомбардировщика с герметическими кабинами и пушечным вооружением, который имел бы максимальную скоростью на высоте 10 000 м до 500 км/ч и дальность полета до 6000 км. При этом, согласно заданию, самолет должен был быть способен поднимать две бомбы по 5000 кг, что вдвое превышало бомбовую нагрузку существующего бомбардировщика Пе-8.
Несмотря на сложность задания, эскизный проект самолета «64» был готов в августе 1944 года. Согласно проекту, самолет имел нормальную схему с разнесенным вертикальным оперением и шасси с носовым колесом. Для защиты от истребителей противника была предусмотрена обеспечивающая не имеющая «мертвых зон» система вооружения, в состав которой должны были входить спаренные пушки НС-23 калибра 23 мм, установленные в четырех дистанционно управляемых башнях и в кормовой установке, таким образом по атакующему истребителю одновременно мог вестись огонь как минимум из четырех стволов. Пассивную защиту обеспечивало бронирование герметичных кабин, создающих условия для работы экипажа при полете на высоте 8000–10 000 м. В составе бортового оборудования был предусмотрен электрический автопилот.