После принятия на вооружение самолета Су-24 в феврале 1975 г., совершенствование машины было продолжено. Одним из основных направление работ по теме Су-24 в ОКБ во второй половине 70-х годов было связано с проектированием модификации этого самолета с улучшенными боевыми возможностями, разработка которой была задана упоминавшимся правительственным постановлением и началась в 1975 году. Среди требований, предъявлявшихся к самолету, который получил название "фронтовой бомбардировщик Су-24М" (заводской шифр Т-6М), было расширение номенклатуры управляемого вооружения, модернизация прицельно-навигационной системы, увеличение радиуса действия, снижение уровня потерь в боевом вылете. К этому времени в СССР были разработаны и проходили испытания высокоточные управляемые средства поражения: ракеты Х-25 и Х-29Л с лазерной полуактивной системой наведения, Х-59 с телевизионно-командной системой наведения, Х-29Т с телевизионной головкой самонаведения, корректируемые бомбы КАБ-500 с лазерным и телевизионным наведением. Устанавливавшаяся на Су-24 прицельно-навигационная система "Пума" могла обеспечивать применение управляемых ракет лишь с радиокомандным и пассивным радиолокационным наведением. Новая машина поэтому должна была оснащаться модернизированной ПНС, в состав которой включалась бы специальная лазерно-телевизионная прицельная система (ЛТПС). Такая аппаратура, названная ЛТПС "Кайра", была разработана и планировалась к установке на самолеты МиГ-23БК (МиГ-27К) и Су-24М. Опытный комплект системы в 1976 году был установлен и испытан на одном из доработанных серийных Су-24 (Т6М-22). Для повышения выживаемости бомбардировщиков в условиях боевых действий на Су-24М установили бортовой комплекс обороны, включавший помимо станций радиотехнической разведки и активных помех, устанавливавшихся на Су-24, систему предупреждения о пуске ракет, автомат отстрела ложных тепловых целей и дипольных отражателей и устройство управления на основе вычислителя. Для увеличения радиуса действия была спроектирована система дозаправки топливом в полете, осуществляемой по схеме "шланг-конус" через выдвижную штангу-топливоприемник от самолета-заправщика типа Ил-76 (Ил-78) или однотипного самолета Су-24М, оснащенных унифицированными подвесными агрегатами заправки (УПАЗ "Сахалин").
Работы по проектированию модернизированного самолета были завершены к 1977 году. К летным испытаниям готовилось несколько машин, переоборудовавшихся из серийных Су-24 в опытном производстве ОКБ и на Новосибирском заводе. Первым летным образцом, на котором должна была испытываться аэродинамика будущего Су-24М, стал самолет Т6-М8, представлявший собой доработанный восьмой опытный экземпляр Су-24 (Т6- с удлиненной носовой и обжатой хвостовой частями фюзеляжа. Временно, вместо штатных, были установлены имитаторы обтекателей ЛТПС и систем бортового комплекса обороны. Первый полет Т6-М8 состоялся 29 июня 1977 года, а официальные госиспытания Су-24М начались еще в декабре 1976 года (на доработанном серийном Су-24, получившем обозначение Т6М-22, с аппаратурой "Кайра", установленной нештатно в нижней части фюзеляжа). Позднее к ним присоединились самолеты Т6-20 (Т6М-20) и Т6-21 (Т6М-21), на которых отрабатывалась система дозаправки топливом в полете и аппаратура управления ракетой Х-59, а также Т6М-23 и Т6М-24, выпущенные Новосибирским заводом. Последние два явились, по сути, предсерийными самолетами, так как строились сразу в конфигурации серийного Су-24М. Т6М-23 был облетан в декабре 1977 года, а Т6М-24 - в январе 1978 года. Всего в первом этапе государственных испытаниях, завершенном в ноябре 1979 года, принимало участие 7 опытных машин (Т6-6, замененный после катастрофы на Т6-27 (Т6М-27), Т6-М8, Т6-9, Т6-21 (Т6М-21), Т6М-22, Т6М-23 и Т6М-24). Параллельно первому этапу (этапу "А") ГСИ выполнялась программа по выдаче предварительного заключения на серийное производство и эксплуатацию самолета. Первый серийный Су-24М (в дальнейшем "Т6М-29) был выпущен НАЗ летом 1979 года и облетан 20 июня 1979 года заводскими летчиками-испытателями В.Т.Выломовым и Г.В.Гридусовым (позднее, 10 декабря 1986 года, самолет был потерян в аварии по причине отказа системы продольного управления из-за попадания постороннего предмета в гидроусилитель, пилотировавшим его летчикам-испытателям О.Г.Цою и Н.Ш.Саттарову удалось катапультироваться).
При подготовке к серийному производству модернизированного варианта бомбардировщика (заводское обозначение - изделие "44") был внесен ряд дополнительных изменений в конструкцию, вызванных необходимостью установки нового оборудования, улучшения аэродинамики и летных характеристик самолета. Так, в связи с применением нового радиоэлектронного оборудования и системы дозаправки топливом в полете, длина носовой части фюзеляжа была увеличена на 750 мм. В целях уменьшения донного сопротивления выполнили обжатие хвостовой части самолета. Изменениям подверглось вертикальное оперение: высоту киля увеличили, так как над рулем направления необходимо было разместить дополнительные антенны; в связи с установкой новой антенны радиотехнической системы дальней навигации изменился теоретический обвод передней кромки киля, а в форкиле появился воздухозаборник охлаждения оборудования. Контейнер тормозного парашюта был перенесен выше (раньше он являлся завершением гаргрота), что позволило практически избавиться от вредного воздействия горячих газов двигателей на купол и, в особенности, стропы парашюта; его оснастили двумя створками, открывающимися в стороны. Для улучшения характеристик продольной устойчивости на больших углах атаки на центроплане установили аэродинамические перегородки - гребни, объединенные конструктивно с пилонами подвески вооружения (в дальнейшем выяснилось, что гребни не обеспечивают существенного улучшения характеристик устойчивости и от их применения отказались). В целом же, конструкция Су-24М и Су-24 была очень близкой, что позволило в кратчайшие сроки без остановки производства перейти на массовый выпуск новой машины. В плане технологической подготовки производства, переход на Су-24М для завода заключался в переделке стапеля сборки носовой части фюзеляжа, остальные использовались практически без изменения, В связи с тем, что производство Су-24 в течение почти пяти лет продолжалось параллельно с выпуском первых серий Су-24М (последний Су-24 N27-26 выпущен заводом во второй половине 1983 года), многие доработки конструкции, предназначавшиеся для модернизированной машины, были внедрены и на базовый самолет.
Второй этап (этап "Б") государственных совместных испытаний Су-24М проходил в период с марта 1980 года по май 1981 года. В нем уже участвовали и серийные самолеты, на которых отрабатывалось применение новых образцов вооружения и функционирование прицельно-навигационной системы. Полеты выполнялись на семи машинах: Т6М-23, Т6М-24, ТбМ-28 - Т6М-32. (Уже после окончания ГСИ, 3 июля 1984 года, самолет Т6М-24 потерпел катастрофу в ГНИКИ ВВС, в результате которой погиб летчик А.Ф.Сидоренко, штурману Г.П.Шаповалу удалось катапультироваться; в 1983 году был потерян в аварии и самолет Т6М-28). Всего на обоих этапах ГСИ и заводских испытаниях Су-24М было совершено соответственно 608 и 390 полетов. 22 июня 1983 года постановлением правительства Су-24М был принят на вооружение ВВС Советского Союза. Опытная эксплуатация самолетов в строевых частях началась в июне 1981 года. По традиции первые Су-24М поступили в ЦБП ВВС в Липецке. Войсковые испытания самолет прошел в 1984-1985 годах.
Работы по проектированию модернизированного самолета были завершены к 1977 году. К летным испытаниям готовилось несколько машин, переоборудовавшихся из серийных Су-24 в опытном производстве ОКБ и на Новосибирском заводе. Первым летным образцом, на котором должна была испытываться аэродинамика будущего Су-24М, стал самолет Т6-М8, представлявший собой доработанный восьмой опытный экземпляр Су-24 (Т6- с удлиненной носовой и обжатой хвостовой частями фюзеляжа. Временно, вместо штатных, были установлены имитаторы обтекателей ЛТПС и систем бортового комплекса обороны. Первый полет Т6-М8 состоялся 29 июня 1977 года, а официальные госиспытания Су-24М начались еще в декабре 1976 года (на доработанном серийном Су-24, получившем обозначение Т6М-22, с аппаратурой "Кайра", установленной нештатно в нижней части фюзеляжа). Позднее к ним присоединились самолеты Т6-20 (Т6М-20) и Т6-21 (Т6М-21), на которых отрабатывалась система дозаправки топливом в полете и аппаратура управления ракетой Х-59, а также Т6М-23 и Т6М-24, выпущенные Новосибирским заводом. Последние два явились, по сути, предсерийными самолетами, так как строились сразу в конфигурации серийного Су-24М. Т6М-23 был облетан в декабре 1977 года, а Т6М-24 - в январе 1978 года. Всего в первом этапе государственных испытаниях, завершенном в ноябре 1979 года, принимало участие 7 опытных машин (Т6-6, замененный после катастрофы на Т6-27 (Т6М-27), Т6-М8, Т6-9, Т6-21 (Т6М-21), Т6М-22, Т6М-23 и Т6М-24). Параллельно первому этапу (этапу "А") ГСИ выполнялась программа по выдаче предварительного заключения на серийное производство и эксплуатацию самолета. Первый серийный Су-24М (в дальнейшем "Т6М-29) был выпущен НАЗ летом 1979 года и облетан 20 июня 1979 года заводскими летчиками-испытателями В.Т.Выломовым и Г.В.Гридусовым (позднее, 10 декабря 1986 года, самолет был потерян в аварии по причине отказа системы продольного управления из-за попадания постороннего предмета в гидроусилитель, пилотировавшим его летчикам-испытателям О.Г.Цою и Н.Ш.Саттарову удалось катапультироваться).
При подготовке к серийному производству модернизированного варианта бомбардировщика (заводское обозначение - изделие "44") был внесен ряд дополнительных изменений в конструкцию, вызванных необходимостью установки нового оборудования, улучшения аэродинамики и летных характеристик самолета. Так, в связи с применением нового радиоэлектронного оборудования и системы дозаправки топливом в полете, длина носовой части фюзеляжа была увеличена на 750 мм. В целях уменьшения донного сопротивления выполнили обжатие хвостовой части самолета. Изменениям подверглось вертикальное оперение: высоту киля увеличили, так как над рулем направления необходимо было разместить дополнительные антенны; в связи с установкой новой антенны радиотехнической системы дальней навигации изменился теоретический обвод передней кромки киля, а в форкиле появился воздухозаборник охлаждения оборудования. Контейнер тормозного парашюта был перенесен выше (раньше он являлся завершением гаргрота), что позволило практически избавиться от вредного воздействия горячих газов двигателей на купол и, в особенности, стропы парашюта; его оснастили двумя створками, открывающимися в стороны. Для улучшения характеристик продольной устойчивости на больших углах атаки на центроплане установили аэродинамические перегородки - гребни, объединенные конструктивно с пилонами подвески вооружения (в дальнейшем выяснилось, что гребни не обеспечивают существенного улучшения характеристик устойчивости и от их применения отказались). В целом же, конструкция Су-24М и Су-24 была очень близкой, что позволило в кратчайшие сроки без остановки производства перейти на массовый выпуск новой машины. В плане технологической подготовки производства, переход на Су-24М для завода заключался в переделке стапеля сборки носовой части фюзеляжа, остальные использовались практически без изменения, В связи с тем, что производство Су-24 в течение почти пяти лет продолжалось параллельно с выпуском первых серий Су-24М (последний Су-24 N27-26 выпущен заводом во второй половине 1983 года), многие доработки конструкции, предназначавшиеся для модернизированной машины, были внедрены и на базовый самолет.
Второй этап (этап "Б") государственных совместных испытаний Су-24М проходил в период с марта 1980 года по май 1981 года. В нем уже участвовали и серийные самолеты, на которых отрабатывалось применение новых образцов вооружения и функционирование прицельно-навигационной системы. Полеты выполнялись на семи машинах: Т6М-23, Т6М-24, ТбМ-28 - Т6М-32. (Уже после окончания ГСИ, 3 июля 1984 года, самолет Т6М-24 потерпел катастрофу в ГНИКИ ВВС, в результате которой погиб летчик А.Ф.Сидоренко, штурману Г.П.Шаповалу удалось катапультироваться; в 1983 году был потерян в аварии и самолет Т6М-28). Всего на обоих этапах ГСИ и заводских испытаниях Су-24М было совершено соответственно 608 и 390 полетов. 22 июня 1983 года постановлением правительства Су-24М был принят на вооружение ВВС Советского Союза. Опытная эксплуатация самолетов в строевых частях началась в июне 1981 года. По традиции первые Су-24М поступили в ЦБП ВВС в Липецке. Войсковые испытания самолет прошел в 1984-1985 годах.