Первый серийный самолет Су-24М  был изготовлен на Новосибирском авиазаводе летом 1979 года, но только в 1983 году он был принят на вооружение.  В этом же году было прекращено производство Су-24, и в дальнейшем только новые Су-24М и его модификации остались на стапелях.

В 1981 году первые Су-24М прилетели в Воронеж и поступили в 760-й ИИСАП 4-го Центра боевой подготовки и переучивания личного состава фронтовой авиации СССР. Здесь же в 1984—1985 годах самолеты успешно прошли войсковые испытания. В самолете Су-24М увеличился вес,  и ухудшились некоторые параметры летных характеристик самолета  из-за нового электронного оборудования.  Но, эти характеристики остались на высоком уровне. В этой модели оказалась неожиданной высокая маневренность самолета. Су-24М без подвесок и с неполным запасом топлива способен выполнить эффектный высший пилотаж, который неоднократно демонстрировала группа летчиков-инструкторов Липецкого ПЛС и ЦБП.

В процессе выпуска самолет постоянно модернизировался, на 3-й серии Су-24М, видоизменилась конструкция хвостовой части.  На 8-й серии модернизировали щиток управления заправкой самолета, а по внешнему виду эти машины стали отличаться мощным профилем, обрамляющим стык фюзеляжа и хвостового кока прямо сверху обшивки. Во время производства Су-24М стали устанавливать ГШ-6-23М вместо орудия ГШ-6-23. После очередной аварии в войсках в середине 80-х была временно запрещена стрельба из ГШ-6-23М, практически до внесения доработок, препятствующих таким неприятностям.

В конструкции самолета Су-24М  первым крупным изменением была ликвидация гребней на центроплане крыл, но  и без этих массивных деталей управляемость и устойчивость «длинноносого» Су-24М оказалась в норме. В последних сериях гребни снова появились, и на них начали размещать кассеты с дополнительными тепловыми ловушками. В СССР к началу 90-х  был разработан ряд модификаций ракет    класса воздух-поверхность, которые вошли в арсенал Су-24М.  Дальность пуска   значительно увеличилась при более мощной БЧ, поскольку ракета Х-59М «Овод-М» получила комбинированную установку из маршевого турбореактивного двигателя и разгонного РДТТ.  Также у новой противорадиационно-локационной  Х-58Э повысились характеристики дальности.