Главной особенностью самолета 3М стал новейший комплекс вооружения с крылатой ракетой Д-5 (КСР-5), которая могла поражать морские и сухопутные радиоконтрастные цели. Она создавалась в соответствии с правительственным постановлением о разработке «стратегической бомбардировочной системы класса «воздух – земля» М-6 К-14. Основу системы вооружения 3 МД составляли две ракеты К-14, крепления под балочные держатели которых находились снизу корневых частей крыла. Ее дальность полета составила 280 км, а скорость втрое превышала звуковую. Она могла комплектоваться как фугасно-кумулятивной, так и ядерной БЧ. Ракета успешно прошла испытания и была запущена в производство под обозначением КСР-5.

В опытные машины были переделаны два серийных 3М. Первая из них поднялась в воздух с заводского аэродрома в Филях 25 ноября 1959 г. под управлением экипажа Б.М. Степанова. Начавшийся 1 февраля следующего года первый этап Госиспытаний проходил без ракет. После его завершения, несмотря на очевидное недовыполнение технического задания, было принято предварительное решение о серийном производстве 60 самолетов 3М-5. Работы по переоборудованию самолетов начались в 1973 г.

Однако окончательного решения о переоборудовании парка самолетов ЗМ так и не последовало. В начале семидесятых в международных отношениях наступил период разрядки, и был заключен первый договор об ограничении стратегических вооружений.