К октябрю 1954 года первый образец Д-54 со стабилизатором «Радуга» установили в опытном танке Т-54М («Объект 139»). Т-54М был создан на базе корпуса Т-54, но имел более мощный дизель В-54-6 (580 л.с.) и изменения в ходовой части — облегченные опорные катки, новые ведущие колеса. За счет применения бака-стеллажа Т-54М обладал увеличенным боекомплектом — 50 выстрелов вместо 34, имевшихся на Т-54. Были введены приборы ночного видения — ТВН-1 для механика-водителя и ночной прицел. На башне устанавливались инфракрасный прожектор и зенитный пулемет КПВТ калибра 14,5 мм.
В октябре 1954 года «Объект 139» был сдан комиссии и отправлен на полигонные испытания. Стабилизатор «Радуга» испытаний не выдержал. Не был принят на вооружение и танк Т-54М, однако отдельные его элементы впоследствии использовали для Т-55.
Кроме совершенствования вооружения в 1951–1953 годах развернулись работы по оснащению Т-54 оборудованием для подводного вождения (ОПВТ).
Для установки пушки Д-10ТГ с электрогидравлическим одноплоскостным стабилизатором СТП-1 «Горизонт» конструкторским бюро под руководством Л.Н. Карцева была разработана модификация Т-54А («Объект 137Г»), принятая на вооружение в 1954 году. Это был первый советский серийный танк со стабилизированной пушкой.
Введение стабилизатора танковой пушки и спаренного с ней пулемета дало возможность вести огонь, а главное попадать в цель с ходу. При стрельбе с ходу из нестабилизированной пушки вероятность расстрелять весь боекомплект была выше, чем попасть в цель. Однако на Т-54А возникли проблемы травматизма экипажа. Каких либо ограждений у казенной части пушки не было, отсутствовал и вращающийся полик боевого отделения, а при включении стабилизатора пушка в башне могла во время движения танка ходить от упора до упора (от крыши башни до пола боевого отделения). Так, при испытаниях Т-54А погиб командир экипажа.
Пушка Д-10ТГ получила эжектор для продувки канала ствола от пороховых газов после выстрела. Благодаря эжектору загазованность боевого отделения при стрельбе существенно уменьшилась.
Двигатель танка также подвергся некоторым изменениям: в систему питания ввели третий наружный бак емкостью 95 л; поставили двухступенчатый воздухоочиститель с тремя кассетами и эжекционным отсосом пыли; вместо нерегулируемых входных жалюзи над радиаторами смонтировали регулируемые, которые управлялись рукояткой, расположенной в боевом отделении. Для механика-водителя был введен инфракрасный активный прибор ночного видения ТВН-1, принятый на вооружение в 1951 году. В качестве средств связи использовались новая радиостанция Р-113 (вместо 10-РТ-26) и ТПУР-120.
Серийное производство Т-54А началось с 1955 года и продолжалось по 1956 год.
Средний танк Т-54Б («Объект 137Г2»)
К 1956 году была разработана следующая модификация «пятьдесятчетверки» — Т-54Б («Объект 137Г2»). Испытания первых трех опытных танков Т-54Б завершились в феврале 1956 года и после соответствующей доработки в августе того же года машина была принята на вооружение. В декабре была собрана установочная партия, а в следующем 1957 году началось серийное производство.
На Т-54Б в качестве основного вооружения использовалась пушка Д-10Т2С с электрогидравлическим двухплоскостным стабилизатором СТП-2 «Циклон». Управление пушкой и башней при включенном стабилизаторе осуществлялось с помощью пульта управления. В связи с этим была изменена конструкция механизма поворота башни. Был, наконец установлен вращающийся полик боевого отделения, существенно улучшивший условия работы членов экипажа в башне. Правда, это потребовало частично изменить расположение боекомплекта, но его количество удалось сохранить.
На Т-54Б были введены активные приборы ночного видения: инфракрасный ночной прицел наводчика — ТПН-1-22-11, ночной прибор командира — ТКН-1 и механика-водителя — ТВН-2. Для обеспечения их работы танк был оснащен инфракрасными (ИК) прожекторами: Л-2 (смонтированным на орудийной маске, здесь он устанавливался до апреля 1959 года, а позднее был перенесен на правую лобовую часть башни) и ОУ-3 — на командирской башенке. Приборы механика-водителя и командира были сменными (устанавливались вместо дневных), прицел наводчика устанавливался внутри башни стационарно (левее дневного прицела ТШ-2А-22), а его головка на крыше башни заняла место перископа наводчика МК-4. Вместо дневного прибора наблюдения командира ТПК-1 был установлен прибор ТПКУ.