圖-16在1954年開始服役,以應對美軍的優勢戰略轟炸平臺,最初以常規自由落體轟炸規格推出,后來在50年代中期擁有了核能力,被設計用于攜帶蘇聯AS-1巡航導彈,該機型機腹下有長6.5米的彈艙,載彈量9000公斤。圖-16轟炸機不載普通炸彈時,可掛一枚當量為500萬噸的核彈,或2枚AS-1型空對地導彈,或2枚AS-2型空對地導彈,或2枚AS-5空對地導彈。海上作戰時,圖-16轟炸機可載魚雷和水雷,此外安裝7門23毫米機炮,備彈2300發。雙RD-3M渦輪噴氣機提供了2×93.2的推力,足以在7200公里的航程中以992公里/小時的速度巡航。