Опытный Ту-95КД проходил первый этап совместных испытаний с 5 июля по 8 сентября 1961 г. В полетах проверялись система выпуска и уборки топливоприемника, а также работа вновь установленной аппаратуры. Второй этап проводился с 17 октября по 30 января 1962 г. и включал практические дозаправки Ту-95КД от танкера М-4-2. Первый серийный Ту-95КД был выпущен на заводе № 18 в 1962 г., а всего построили более двух десятков самолетов этого типа. Еще несколько машин переоборудовали из ранее выпущенных Ту-95К (в том числе из опытного).
К концу 60-х гг. все выпущенные или переоборудованные Ту-95КД прошли модернизацию и получили обозначение Ту-95КМ. От предыдущей модели они отличались составом оборудования. Так, радиолокационный стрелковый прицел ПРС-1 заменили на ПРС-4, станцию радиоэлектронного противодействия СПС-2 - на СПС-3, станцию предупреждения СПО-2 - на СПО-3, радиовысотомер РВ-2 - на РВ-УМ; автоматический радиокомпас АРК-5 - на АРК-11, радиостанцию РСИУ-4 - на РСИУ-5. На самолете была установлена новая пилотажно-навигационная система “Путь-1 Б”, курсовая система КС-6Д, доплеровский измеритель скорости и угла сноса ДИСС-1 и радиотехническая система ближней навигации РСБН-2С, а также радиостанция 1РСБ-70А. Некоторые машины оснастили системой попутной радиотехнической разведки “Ромб-4”, а на нескольких Ту-95КМ под крылом установили по две фильтрогондолы, предназначенные для взятия проб воздуха. Радиационная разведка велась в основном неподалеку от мест проведения ядерных испытаний иностранными державами, особенно Китаем.
Подверглась модернизации и ракета Х-20, получившая обозначение Х-20М, а усовершенствованный комплекс в целом стал называться Ту-95К-20. Его максимальный радиус действия находился в пределах 6340-8250 км, дальность пуска Х-20М составляла 450-600 км, а максимальное сближение самолета-носителя с целью - 260-380 км, что было вполне приемлемо для 60-х гг. Существенный недостаток комплекса заключался в том, что его система наведения должна была непрерывно отслеживать и ракету, и цель, и только на последнем участке Х-20М переходила в режим самонаведения. Это снижало боевую эффективность комплекса в условиях применения противником активных радиопомех и повышало уязвимость самолета-носителя.
Опытный экземпляр Ту-95МС
Ту-95В во время испытаний термоядерной бомбы
Дальнейшее усиление ПВО вероятного противника в начале 70-х гг. снизило вероятность прорыва к цели Ту-95КМ. Поэтому появились предложения о переоборудовании этих самолетов под комплекс К-22, включавший крылатые ракеты Х-22 с автономной системой наведения и большей скоростью полета. Поисковые работы в этом направлении были проведены в отделе технических проектов ОКБ-156 еще в 1963 г., но соответствующее решение Совмина последовало только через 10 лет, в феврале 1973 г. Самолет получил новое обозначение Ту-95К-22, а комплекс - К-95-22.
31 января 1973 г. на куйбышевский авиазавод для доработки под новый комплекс поступил специально выделенный ВВС серийный Ту-95КМ. Но работы по технической документации ОКБ начались только в мае 1974 г. Переоборудование заключалось в следующем: на место хвостовой пушечной установки поставили унифицированный отсек с аппаратурой РЭБ, РЛС “ЯД” заменили на “ПНА-Б”, установили аппаратуру подготовки и запуска ракет “Кама”, балочный держатель БД-206 снабдили переходником под ракету Х-22, под крылом между внутренними двигателями и фюзеляжем для подвески Х-22 установили два балочных держателя БД-45К, взятых с Ту-22М. Самолет получил возможность нести одну крылатую ракету под фюзеляжем или две - под крылом.
30 октября 1975 г. переоборудованная машина совершила первый полет. Испытания и доводки комплекса продолжались до начала 80-х гг. В 1981 г. начались боевые пуски ракет Х-22. Параллельно шло переоборудование Ту-95КМ в Ту-95К-22. В 1987 г. новый комплекс приняли на вооружение. Несколько самолетов были оборудованы подкрыльевыми фильтрогондолами, что дало возможность использовать их также для радиационной разведки.
В феврале 1973 г. было принято решение об оснащении 33 оставшихся в строю на тот период устаревших бомбардировщиков Ту-95/95М ракетами КСР-5. Новый авиационно-ракетный комплекс, получивший обозначение К-95-26, имел много общего с комплексом К-26, включавшим самолет-носитель Ту-16К-26 и две ракеты КСР-5. В октябре 1976 г. на Куйбышевском авиазаводе завершили переоборудование одного из серийных Ту-95М в опытный ракетоносец Ту-95М-5, который отличался установкой под крылом двух пилонов с балочными держателями для ракет КСР-5, аппаратурой подготовки ракет к пуску “Волга”, новой РЛС “Рубин-1 КВ” и унифицированным отсеком с аппаратурой РЭБ в хвостовой части фюзеляжа взамен пушечной установки.