После того, как проектирование Ту-128УТ закончили, совместным решением ВВС-ПВО-МАП от 4 августа 1970 г. было выделено четыре серийных Ту-128 для переоборудования в учебно-тренировочные самолеты со сроком предъявления на испытания двух первых машин в I квартале 1971 г. и двух других - во II квартале. После переделки самолеты прошли испытания, и приказом Министра обороны №0160 от 14 сентября 1971 г. Ту-128УТ был принят на вооружение. В том году авиазавод № 64 построил и десять серийных Ту-128УТ (изделие "И-УТ"). От первых учебных машин серийные "спарки" отличались новой законцовкой киля,параллельной строительной горизонтали самолета, в связи с установкой новой связной радиостанции Р-846 "Призма-М". Это были последние, 45-я и 46-я серии выпуска самолета, после чего серийное производство Ту-128 завершилось. Таким образом, всего с 1962 по 1970 г. было выпущено 188 перехватчиков (включая первый опытный) и 10 "спарок". Наибольший темп производства имел место в 1966 г., когда заказчику было сдано 37 машин.
Важными направлениями развития Ту-128 считались совершенствование системы вооружения и силовой установки. В качестве альтернативных рассматривали двигатели АЛ-7Ф-4 ОКБ А.М.Люльки с форсажной тягой 11100 кгс, Р-15Б-300 разработки ОКБ-ЗОО С.К.Туманского с тягой 15000 кгс, РД-15стягой 13000 кгс и РД-19Р-2 разработки рыбинского ОКБ-36 (В.А.Добрынина, затем П.А. Колесова) с тягой 14200 кгс, а позднее и другого двигателя этого ОКБ - РД36-41, который разрабатывался для дальнего ударного и разведывательного комплекса Т-4 ОКБ П.О.Сухого. Предусматривалась также установка ракетных ускорителей, применяемых на Ту-22 и дальнем беспилотном разведчике "Ястреб".
В начале 1963 г. на первую серийную машину установили опытные ТРД АЛ-7Ф-4. Новый двигатель имел на тонну большую форсажную тягу, но был на 80 кг тяжелее исходного (его масса составляла 2180 кг). Одновременно для улучшения поперечного управления на сверхзвуковой скорости для этой цели стали применять интерцепторы. В феврале в Жуковском начались полеты по программе испытаний нового ТРД, позднее в воздухе была проверена работа новыхорганов управления. В III квартале 1967 г. на самолет поставили двигатели АЛ-7Ф-4Г. С новой силовой установкой перехватчик с полной подвеской достиг скорости, соответствующей М=1,6. Однако эти ТРД довести не удалось, и в серию они запущены не были.
Из перспективных РЛС на перехватчик планировали установить разрабатываемые станции РП-СА "Смерч-A" и "Гроза-100". Модернизированный "Смерч" имел дальность обнаружения цели до 100 км и дальность захвата 60-70 км. В то же время ОКБ М.Р.Бисновата работало над ракетой К-80М с дальностью пуска до 32 км. С учетом новых разработок ОКБ-156 приступило к проектированию нового комплекса перехвата под обозначением Ту-28А-80. Одновременно велись проработки перехватчика под РЛС "Гроза-100" и ракеты К-100 со значительно более высокими характеристиками (этот комплекс получил обозначение Ту-28А-100).
В рамках этих работ в 1962-1963 гг. под руководством Егера разрабатывался новый носитель Ту-28А с двигателями ВД-19, применение которых предполагалось еще на начальном этапе создания перехватчика. Ту-28А в общих чертах повторял исходную машину, но в связи с установкой более мощных двигателей с увеличенным расходом воздуха на нем изменили форму воздухозаборников и сечение воздушных каналов. Центральные тела на входе воздухозаборников меняли теперь свое положение не скачками, а плавно, т.к. максимальная расчетная скорость с ракетами должна была достигать 2000 км/ч. В связи с установкой новых двигателей несколько увеличилось сечение хвостовой части фюзеляжа, из-за новой РЛС удлинялась его носовая часть, появились подфюзеляжные гребни по типу установленных на опытном Ту-28.
Фонарь кабины экипажа Ту-128 (колпаки открыты)
Колпаки фонаря закрыты
В феврале-марте 1964 г. в комплекте с воздухозаборниками согласно проекту Ту-28А двигатель ВД-19 прошел стендовые испытания, а в 1965 г. на ЛИиДБ ОКБ-156 начались его испытания в реальных условиях на летающей лаборатории, созданной на базе перехватчика Ту-128. Фактически Ту-128ЛЛ должна была стать прототипом Ту-28А, хотя на этой машине в связи с отсутствием реальной станции "Смерч-A" стоял ее весовой макет. Испытания показали, что максимальная скорость без внешних подвесок увеличилась всего лишь на 110-120 км/ч, а заветные 2000 км/ч практически не достижимы из-за возрастания аэродинамического сопротивления, вызванного увеличением миделя самолета. Таким образом, установка ВД-19 на Ту-128 была признана неперспективной, что в сочетании со значительной задержкой работ по новым РЛС послужило причиной прекращения работ по комплексам Ту-28А;80 и Ту-28-100.