第一版的 T-6 采用固定翼
可以算并列双座版的苏-15。翼尖下垂的小翼用于增加方向安定性
采用上单翼是对地攻击为主的战术飞机的共同特点，这是因为上单翼飞机的机体“吊”在机翼下，具有自然的摆垂自稳趋势，在低空受到突然的阵风时，不易失稳。上单翼还有利于翼下大量吊挂武器，便于持续、猛烈的对地攻击。不过上单翼使翼下起落架的支柱过长，T-6 只好采用在机身下的外八字起落架。幸好双发的 T-6 机体较宽，相对容易安排外八字起落架。
T-6 将采用两台图曼斯基 R27 发动机和 4 台科莱索夫 RD36 升力发动机。和 T-58VD 一样，升力发动机的升力不足以使 T-6 垂直起飞，只是用于补充机翼的升力，实现短距起飞。
新机的设计从 1965 年开始，设计大厅里竖立着一块 15 米长的极大图板，上面是 T-6 的全机缩比例侧视图，上面有坐标网格，并用虚线标注了内部的电子设备、航空特设、发动机、油箱甚至部分重要结构梁柱的轮廓，还有标有燃油管路、电线、液压管路。在还没有计算机三维制图能力之前，这是一个不错的统筹各部门设计的办法。
1967 年夏，T-6 一号机完成。7 月 2 日，伊柳辛驾机首飞。不过时间太紧，没有赶上在多莫达多沃的十月革命 50 周年的纪念飞行。试飞之后，图曼斯基 R27 发动机被留里卡 AL21 所取代，后机身也因此重新设计。为了改善方向安定性，翼尖增加了下垂的小翼，机尾下部也增加了腹鳍。雷达罩的外形一开始是按气动设计要求来设计的，但在使用中发现和雷达的匹配有问题，按照雷达设计局的要求缩短，轮廓也更加饱满。试飞没有发现这对飞行性能有什么不利影响。
在试飞结果、理论分析和苏-17 经验的基础上，苏霍伊研究了至少 12 种方案，最后决定取消升力发动机，改用变后掠翼达到短距起落的目的。T-6 一号机改作航电的测试平台，所有和升力发动机有关的试验全部停止。
大名鼎鼎的试飞员伊柳辛，有趣的是，他从来没有在他父亲的设计局工作过
改用变后掠翼后，T-6 最终定型为苏-24，成为苏联空军的主力重型战斗轰炸机
1968 年 8 月 7 日，航空部决定改用变后掠翼方案，但实际上苏霍伊在这之前已经开始变后掠翼的设计了。初期还考虑过变后掠翼加升力发动机，很快就放弃了，太重，升力发动机占用及内体积太多，耗油太大，加上炽热下洗气流的种种问题，得不偿失。取消升力发动机后，空出来的地方用于增装燃油和用作机内武器舱。机内武器舱在传统上是轰炸机特有的，但重型轰炸机如 F-111 也采用，以减小外挂引起的阻力，这也是 F-111 得以达到很大的航程的一个法宝。但苏霍伊最后放弃了机内武器舱的想法，航程还是不够，内载武器的体积和重量也受很多限制，损失的机内载油量抵消不了降低阻力带来的航程增加，最后还是把机内武器舱的体积也用于机内载油，武器全部移到翼下和机身下的外挂点。
T-6 二号机采用变后掠翼，已经基本上是最终的样子了。二号机和苏-17 的半吊子变后掠翼不同，变后掠铰链尽量靠近机身，活动的外翼段的长度达到最大，翼下挂架随后掠角的变化自动调整角度，保持和前进方向一致，后掠角可以在1 6 度、35 度、45 度、69 度位置上调节，16 度位置用于起飞、着陆，35 度位置用于巡航，45 度位置用于机动飞行，69 度位置用于超音速或者低空高速突防，所有位置全部手动根据飞行状态设定。
1969 年底，二号机完成。1970 年 1 月 17 日，伊柳辛驾机首飞。试飞集中在 1970 到 1976 年间，共约 300 架次；其中 1971 年的试飞强度最高，达到 73 架次。二号机用于飞行性能测试和各种后掠角下稳定性和操控性测试，后期主要集中在低空自动飞行测试。T-6 是苏联第一种具有地形跟踪能力的战术飞机，可以在地形跟踪雷达的导引下，自动贴地飞行。这也是从 F-111 开始的。
1970 年底，三号机完成，还是伊柳辛首飞，以后和二号机一起用到 1976 年，共试飞 300 架次，其中 90 架次是在 1971 年。1971 年 6 月 16 日，四号机首飞，依然是伊柳辛驾机，不过四号机在 1973 年的一次试飞中坠毁。空军对试飞结果满意，起飞、着陆速度甚至低于苏-17。1975 年 2 月 4 日，T-6 正式入役，定名苏-24。
苏-24 和F-111 在外观上很相像，用途也相仿。苏-24 出现晚于 F-111，但在技术水平上还是显示出差距。F-111 的机翼后掠角是无级可调的，由电脑根据飞行状态自动控制。F-111 也是美国第一架采用涡扇发动机的战术飞机，油耗低于涡喷很多。苏-24 的机翼后掠角依然是手动在几个固定位置上设定，发动机也是相对陈旧的涡喷。苏联战术飞机要到米格-29 和苏-27 才开始采用涡扇，比 F-111 晚了近 20 年。技术上的差距不是偶然的。在初入喷气时代时，新技术对所有人都是陌生的，粗放经营式的紧跟潮流、敢想敢干是最重要的。随着技术渐趋成熟，精工细作就更加重要，经济实力、技术基础和体系的完整就显出优越性了。60 年代以后，除了局部的亮点外，苏联战术飞机的技术水平相对落后于同时代的美国飞机，常常要在美国后面很多年才能恢复某种技术均势，这不是偶然的。苏联航空人通过发挥系统威力的方法，延迟了技术差距对飞机的实际战术能力的影响，但这毕竟是很被动的。
苏-24 也在新西伯利亚投产。1971 年 12 月，工厂试飞员弗拉基米尔维洛莫夫首飞生产型。这是 7 号机，用来测试一般飞行性能和低空突防能力，还有粗糙跑道的起落能力、导航、火控、武器系统和其他航电。1973 年间，苏-24 开始在苏联空军形成战斗力。
苏联空军对苏-24 的飞行性能很满意，但电子技术进步很快，苏联空军要求对苏-24 的航电进一步强化。1975-76 年间，苏霍伊设计了苏-24M，主要改善电子系统，强化了导航-攻击能力，是苏-24 可以在复杂气象条件和电子对抗下精确攻击纵深目标。前机身加长了 750 毫米，雷达罩的轮廓线相迎修改，机身底部和雷达罩的连接处有所变动，结果造成现在下嘴唇努起来的样子。苏-24M 还增加了空中加油和伙伴加油能力，取消了外翼段和固定段交界处的翼刀。苏-24M 在 1977 年 7 月 24 日首飞，马上投产，成为苏-24 的主力型号。