В январе 1974 года ВПК при Совете Министров СССР принял решение по дальнейшей модификации Ту-22М2 под двигатели НК-25. Предполагалось произвести замену двигателей, а также внести ряд существенных улучшений в конструкцию и аэродинамику самолёта. 26 июня 1974 года вышло Постановление Совета Министров СССР № 534—187, определявшее развитие Ту-22М с двигателями НК-25, с улучшенной аэродинамикой планера, со сниженной массой пустого самолёта и с улучшенными тактическими и эксплуатационными характеристиками.


В новой модификации, получившей название Ту-22М3 («45-03») были заменены двигатели, внесены изменения в конструкцию воздухозаборников, был увеличен максимальный угол отклонения поворотной части крыла до 65°. Конструкция носовой части фюзеляжа также была переработана, изменена штанга топливозаправки. Спаренная двухпушечная кормовая установка была заменена на однопушечную с улучшенной аэродинамической формой. Проведён комплекс мероприятий по улучшению аэродинамических качеств и уменьшению массы пустого самолёта (в конструкциях начал широко применяться титан). Все мероприятия по уменьшению массы, даже с учетом более тяжёлых новых двигателей, должны были обеспечить общее снижение массы самолёта на 2300—2700 кг.

Первый опытный Ту-22М3, совершил первый полёт 20 июня 1977 года. После выполнения программы лётно-доводочных испытаний Ту-22М3 с 1978 года запускается в серийное производство. C 1984 года прекращается производство ранних моделей Ту-22М и в серийном производстве остаётся только модификация Ту-22М3. С 1981 по 1984 годы самолёт проходил дополнительный комплекс испытаний в варианте с расширенными боевыми возможностями. В окончательном виде Ту-22М3 принимается на вооружение в марте 1989 года.

Всего на Казанском авиационном производственном объединении было построено 268 Ту-22М3.

В декабре 1985 года начались лётные испытания дальнего самолёта-разведчика Ту-22М3Р, спроектированного на базе Ту-22М3. В 1989 году самолёт-разведчик под обозначением Ту-22МР передали в серийное производство. Построено или переоборудовано в разведывательный вариант из бомбардировщиков Ту-22М3 12 самолётов. Существовали и другие проекты развития Ту-22М на основе применения модернизированных двигателей, новых систем оборудования и вооружения — Ту-22М4 (1990 г.) и Ту-22М5.

ВВС России располагает 70 самолётами Ту-22М3, 83 самолёта имеются в распоряжении авиации Российского Военно-Морского Флота.

Ограниченно применялся в конце Афганской войны (в 1988—1989 годах), а также на раннем этапе первой войны в Чечне.

В ходе войны в Южной Осетии в августе 2008 года один самолёт Ту-22М3 был сбит подразделением грузинских ПВО, предположительно посредством ЗРК «Бук» украинского производства. Использование такого самолёта в зоне действия ПВО противника было не вполне оправданно, что признал заместитель начальника Генерального штаба Вооружённых Сил России.

Официально сообщено, что самолёт выполнял разведывательный полёт. В этом случае речь может идти либо о Ту-22М3-Р (базирующегося в Ахтубинске), либо о бомбардировщике Ту-22МЗ со спецконтейнером разведки вместо бомбовой нагрузки. Самолёт пилотировал экипаж из 52-го тяжелобомбардировочного авиаполка, базирующегося в Шайковке, что говорит в пользу второй версии.