Le Tu-22M3 (Backfire C), qui vola pour la première fois en 1976 et entra en service en 1983, avait de nouveaux moteurs NK-25 qui fournissaient une augmentation de puissance substantielle, des prises d'air triangulaires semblables au MiG-25, des ailes à géométrie variable accrue et un nouveau nez comportant un nouveau radar Leninets PN-AD et un système de navigation et d'attaque NK-45, qui amélioraient sensiblement les vols à basse altitude (sans pour autant permettre de voler en permanence au ras du sol). Il avait également une tourelle de queue refaite avec un canon simple et un lanceur rotatif interne pour le missile Kh-15 (AS-16 « Kickback »).
L’équipage du Tu-22M3 est composé de quatre membres. Deux pilotes assis côte à côte à l'avant (pilote à gauche et copilote à droite) et le navigateur aérien (à droite) et l'officier des systèmes d'armes (à gauche) assis à l'arrière. Tous les membres de l’équipage ont des sièges éjectables KT-1M (Kreslo Tupoleva, «siège de Tupolev») connectés au système de sauvetage automatique. Une vitesse minimale de 130 km/h est requise pour une éjection en toute sécurité à des altitudes inférieures à 60 m.
La production totale, toutes variantes confondues, est d'environ 500 exemplaires dont 268 Tu-22M3.
Un sujet de controverse autour du Tu-22M est sa capacité à être ravitaillé en vol. Lors de sa construction le Tu-22M comportait une sonde escamotable de ravitaillement située dans la partie supérieure du nez de l'appareil. Elle fut supprimée après les négociations SALT, bien qu'elle puisse facilement être réinstallée en cas de besoin.
Un petit nombre de Tu-22M3, peut-être 12, furent transformés en Tu-22M3(R) ou Tu-22MR, avec un radar à vision latérale Shompol et d'autres équipements électroniques. Une nouvelle variante à l'électronique dédiée au combat, le Tu-22MP, fut construite en 1986, mais seulement deux ou trois appareils ont, semble-t-il, été construits. En 2008, l'armée de l’air russe a déclaré que 141 exemplaires de cette version étaient en service et les a engagés dans la guerre de Géorgie, ce qui a mis en lumière leur retard en système d'autodéfense et de guidage de munitions de précision ; en conséquence en janvier 2012 un programme de modernisation a été décidé, en attendant l'arrivée en nombre suffisant des nouveaux SU-34, en reprenant quelques éléments du projet abandonné en 1991 de la version Tu-22M4, en particulier le système de ciblage Gefest&T SVP-24-22 qui inclut :
- système de tir SVP-24-22
- ordinateur de bord SV-24
- enregistreur de mission UVV-MP-22
- système de radionavigation SRNS-24 avec recepteur pour Glonass A737
- 3 écrans LCD pour l'officier système d'armes
- un disque dur TBN-K-2
Malgré l'annonce que 30 des 141 appareils de cette version encore en service en 2012 seraient modernisés d'ici 2020, seul une dizaine l'a été dans les faits.
Leur engagement lors de la guerre de Syrie à partir de 2015 a mis en évidence l'usage encore important de bombes non guidées imposé par l'obsolescence des systèmes embarqués, le manque de précision des systèmes de ciblage et la nécessité de faire voler les TU-22 en groupe constitués d'au moins un TU-22M3 assurant le ciblage, les autres avions du groupe larguant leurs bombes au même moment...