Совместные государственные испытания комплекса К-20 проводились с 15 октября 1958 г. по 1 ноября 1959 г. Для этого выделили первые серийные Ту-95К, производство которых развернулось в Куйбышеве в начале 1958 г. (первую серийную машину выпустили уже в марте). В ходе испытаний проверялась работа комплекса в реальных условиях эксплуатации, выполнялись пуски Х-20, в том числе при наличии радиопомех. Комплекс получил высокие оценки по таким важным характеристикам, как надежность, эксплуатационная технологичность и простота освоения личным составом. После завершения совместных испытаний провели дополнительные испытания в Баренцевом море с целью определения возможности уничтожения движущихся соединений кораблей. По результатам ряда пусков был сделан вывод о возможности использования К-20 и против ударных авианосных групп вероятного противника. Постановлением Совмина от 9 сентября 1960 г. комплекс К-20 был принят на вооружение.
Производство Ту-95К (изделие “ВК”) на заводе № 18 продолжалось до 1962 г. Часть самолетов позднее переоборудовали в Ту-95КД. Остальные ракетоносцы находились в эксплуатации до середины 80-х гг., после чего некоторые из них переделали в учебные Ту-95КУ, а оставшиеся утилизировали.
Для обучения экипажей пилотированию и работе с аппаратурой комплекса К-20 на базе ракетоносца Ту-95К был создан учебный вариант Ту-95КУ (изделие "ВКУ").
Ту-95К-22 на стоянке
Ту-95КД с двумя контейнерами для бомб малого калибра
2 июля 1958 г. вышло постановление Совмина, согласно которому конструкторскому бюро А.Н.Туполева поручалось исследовать возможность модификации Ту-95К в носитель четырех ракет К-10, используемых в составе комплекса Ту-16К-10, с одновременным размещением в грузоотсеке ядерного боеприпаса. Проработка технического предложения показала нецелесообразность такой модификации, которая бы потребовала полной переделки системы управления ракетным оружием. Кроме того, размещение на пилонах под крылом ракет К-10 значительно ухудшало аэродинамику самолета-носителя и, как следствие, его летные характеристики.
Установка на Ту-95 комплекса К-20 и подвеска ракеты уменьшили его дальность полета почти на 2000 км. Поэтому еще в процессе испытаний Ту-95К был поднят вопрос об оборудовании ракетоносца системой дозаправки топливом в полете, а 2 июля 1958 г. вышло постановление Совмина, обязывавшее ОКБ-156 существенно улучшить тактико-технические характеристики самолета-носителя и в целом комплекса К-20. В рамках этой работы 28 апреля 1959 г. состоялось решение Военно-промышленной комиссии при Совмине, которое одобряло предложение ВВС и ОКБ-156 оборудовать серийный Ту-95К системой крыльевой заправки, аналогичной примененной на Ту-16. Однако последующий анализ показал, что из-за большого размаха и гибкости крыла Ту-95 такая система дозаправки для него невозможна. Поэтому на самолет решили установить систему “шланг-конус”, отработанную на ЗМ. 20 мая 1960 г. вышло соответствующее постановление Совмина, устанавливавшее срок передачи опытного самолета на совместные испытания в первом квартале 1961 г. ОКБ-156 оперативно подготовило всю конструкторскую документацию, и в мае завод № 18 оборудовал серийный Ту-95К N° 2103 системой “Конус". Самолет, получивший обозначение Ту-95КД (изделие “ВКД”), мог принять в полете до 50 т топлива.
От Ту-95К новый самолет отличался телескопическим топливоприемником (штангой) перед кабиной пилотов, трубопроводом заправки по правому борту самолета с системой откачки топлива, системой сжатого воздуха для управления топливоприемником и радиоаппаратурой "Приток” для связи с самолетом- заправщиком. Кроме того, на Ту-95КД устанавливалась централизованная система наземной заправки топливом.