在70年代中期，为应对北约防空网的升级，苏军对苏—24战斗轰炸机进行了现代化改造，形成了苏—24M型号，北约称其为“击剑手”D。所有现役的苏—24都已接受改装，M型飞机于1977年7月25日首飞，1978年开始批量生产，于1983年正式服役。主要改进包括装备了PNS—M导航/火控系统，增加了1台光电目标指示系统，以及采用地形跟踪雷达替代早期的地形回避系统。机头部分有所延伸，容纳更多电子设备，且垂尾下部弦长增加，配备新型通讯天线，机翼也有所增强，可携带苏制各类战术空地导弹和火箭巢。首架M型飞机装有与美国F—111相当的地形跟踪雷达/攻击系统，据称苏联在设计时参考了越战中被击落飞机的地形跟踪雷达。
原计划的苏—24M设计目标是战术核武器的运载工具，可携带TN—1000与TN—1200等多种核弹，拥有9个武器挂点，最大载弹量达到8吨。飞机上装有23毫米机炮和摄像设备，但通常只携带少量武器。1995年至1999年间，苏军苏—24的数量有所减少。关于苏—24M的有效作战半径，美国情报机构对其评估有所下降，一般攻击任务时的作战半径大约为1050千米，而苏联宣称携带8吨武器执行低空突防任务时，作战半径可达560千米。苏—24MR是苏—24M的侦察/电子战改进型，北约代号“击剑手”E，配备长6米或4米的圆形吊舱进行探测，保留了空中加油和携带空地导弹的能力，机头和发动机进气道下方有专用天线。苏—24MP是战术侦察型，用于替换雅克—28E，配备电子侦察设备，速度因外挂物的增加而有所下降。
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