Фюзеляж полумонококовой конструкции круглого поперечного сечения с диаметром цилиндрической части 3,5 м. Конструктивно делится на 6 отсеков. Отсек Ф1 негерметичный. В нем находятся блоки и антенна радиолокационной станции и другое радиооборудование, посадочные фары и фара подсветки штанги дозаправки, система кондиционирования, РЛС и другое оборудование. На верхней части отсека установлена штанга приема топлива системы «Конус».
В нижней части имеется остекление, которое служит для обеспечения заданных углов обзора с места штурмана-бомбардира. Самолеты ЗМД отличаются отсеком Ф1 новой конструкции – его длина увеличена на 1333 мм, штанга дозаправки установлена в носке отсека, а по бокам ее смонтированы 2 фары подсветки. На самолетах ЗМ-И в завершающий период эксплуатации штанга системы «Конус» и фара ее подсветки снимались. Отсек Ф2 – первая гермокабина. В ней размещены экипаж на катапультных креслах, пилотажно-навигационное, прицельное, радио-связное оборудование, а также часть агрегатов электрического, высотного и бытового оборудования. Экипаж расположен на двух уровнях. На верхнем уровне – места командира корабля и его помощника с постами управления самолетом, а за ними – стрелка-радиста с радиосвязным оборудованием и верхней прицельной станцией системы оборонительного вооружения. Над местами летчиков имеется аварийный выход. Под ними расположено кресло штурмана-бомбардира, оптический бомбовый прицел, индикатор радиолокационного бомбового прицела и часть навигационного оборудования. Далее находятся места штурмана-навигатора и борттехника (на самолетах-заправщиках последний также выполняет функции оператора заправки). Помимо навигационных приборов у штурмана, приборов контроля силовой установки и общесамолетных систем (а на 3M-II – еще и пульта управления комплексным агрегатом заправки) у борттехника, на этих рабочих местах имеется также по одной бортовой прицельной станции системы оборонительного вооружения. Катапультирование всех членов экипажа производится вниз. Отсеки ФЗ и Ф4 негерметичные и технологически представляют собой единый агрегат. Начинаются с топливного бака, нижней огневой установки, систем и агрегатов оборонительного вооружения, блоков РЭО и устройства для запуска сигнальных ракет. Над топливным баком уложена спасательная лодка ЛАС-3. Далее находится ниша передней опоры шасси. Над ней – верхняя огневая установка.
Дюралевые панели обшивки в зоне обстрела защищены от воздействия пороховых газов накладками из нержавеющей стали. Далее расположен центроплан крыла, внутри которого и под ним находятся топливные баки. За центропланом находится обогреваемый герметичный отсек вооружения. Он окантован силовыми шпангоутами и имеет балки крепления мостовых и кассетных держателей вооружения и подвесных топливных баков (ПТБ). Створки отсека в боевом режиме открываются вниз (в положение, близкое к вертикальному), а при подвеске бомб – на угол, близкий к 18'. На боковых стенках отсека имеются кронштейны подвески спецпалатки, используемой при подвеске ядерных боеприпасов. За отсеком вооружения расположены топливные баки, а за ними – ниша задней опоры шасси, замыкающая отсек Ф4. По всей длине верхней части отсеков ФЗ и Ф4 проходит проводка системы управления, элементы гидросистемы, электрооборудования и РЭО. Передняя часть негерметичного отсека Ф5 занята топливными баками. Далее следует техотсек с общесамолетным оборудованием. В его нижней части смонтирована качающаяся установка АКАФУ с аэрофотоаппаратом АФА-42 или другим. За ней размещен ящичный держатель ДЯ-СС для вспомогательных авиабомб. В задней части отсека Ф5 находятся патронные ящики кормовой огневой установки. В нижней части – контейнер трехкупольной тормозной парашютной системы. На верхней части отсека Ф5 имеется подкилевая настройка с узлами крепления киля и агрегатами гидросистемы. Фюзеляж завершает отсек Ф6 – вторая гермокабина. В ней находится рабочее место дармового стрелка с катапультным креслом, кормовая огневая установка, оптическая прицельная станция и радиоприцел.