Усовершенствованный вариант  Ту-154 с первоначальным обозначением  Ту-164 начал проходить летные испытания в 1981-82 гг.  На нем был установлен двигатель  ТРДД Д-ЗОКУ с более экономичными характеристиками. Опытный самолет совершил первый полет  в 1982, а в серийное производство был пущен в 1984 году на Самарском заводе. На протяжении  1980-х годов в ОКБ Туполева велись работы по вопросам применения  в пассажирских самолетах криогенного топлива.

В связи с этим были  разработаны новые модификации самолета — Ту-154М и Ту-156М. Самолет Ту-154М (на котором был установлен двигатель Д-ЗОКУ-154 со значительно улучшенными характеристиками по экономии топлива)  до создания Ту-204 был самым экономичным самолетом отечественного производства, а также  одним  из немногих пассажирских самолетов, которые поставлялись на экспорт. Экспериментальный самолет  Ту-155, на котором был установлен  двигатель ТРДД НК-88,  работающий на криогенном топливе и  жидком природном газе, тоже  успешно прошел летные  испытания.

В 1996 году  был начат выпуск еще одной модификации — Ту-154М-2, на которой был установлен  цифровой комплекс  авионики, кроме того, его топливная  экономичность была улучшена  на 20%.