Подвеска крупногабаритной ракеты потребовала значительной переделки фюзеляжа самолета и увеличения размеров грузоотсека. Она затронула ряд силовых элементов фюзеляжа, поэтому оказалась довольно сложной, требующей проведения ряда экспериментальных работ, в том числе изготовления специальной модели из плексигласа для выявления силовых потоков в измененных элементах конструкции. Впоследствии такие модели получили название упруго-подобных и часто использовались в ОКБ-156 при разработках сложных силовых схем. Рабочие чертежи ОКБ передало на завод № 18, где для переделки в опытные ракетоносцы были выделены находящиеся на стапелях серийные Ту-95 № 401 и № 404. Эти самолеты предназначались для отработки элементов комплекса К-20 и проведения испытаний. Переделка началась 1 марта 1955 г. и закончилась 31 октября. 1 января 1956 г. лидерная машина совершила первый полет. Летом этого же года выпустили и второй экземпляр Ту-95К.
Заводские испытания авиационно-ракетного комплекса проводились в три этапа на двух Ту-95К. Первый этап начался 4 августа и закончился 15 октября 1956 г. Второй этап, посвященный подготовке носителя к пускам,проводился с 15 августа по 13 октября 1956 г. На третьем этапе, закончившемся 24 января 1957 г., проводились доводка системы управления ракетой и ее аппаратуры самонаведения на пилотируемых аналогах Х-20 - истребителях МиГ-19, оборудованных элементами системы К-20. ОКБ-155 построило два самолета- аналога: первый - в беспилотном варианте (под шифром СМ-20), второй - в пилотируемом (СМ-20П). Аналоги поднимались в воздух на опытных Ту-95К, затем сбрасывались, и дальнейшее пилотирование происходило по сигналам системы управления К-20. На СМ-20П , отрабатывалась аппаратура самонаведения на последнем участке полета. В этих уникальных испытаниях принимали участие многие известные летчики, в частности Герой Советского Союза заслуженный летчик-испытатель С.Амет- Хан, немало сделавший для отработки комплекса К-20. Дальнейшие испытания включали пуски ракет Х-20. Они начались 6 июня 1957 г. и закончились 29 июля 1958 г. За этот период К-20 удалось окончательно довести, и в июле было принято решение о начале серийного производства нового авиационно-ракетного комплекса.
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.
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.