Самолет разработан в следующих модификациях.

Су-24М — модернизированный вариант, является модификацией самолета Су-24. Работы по его созданию начались в 1975 г. На самолете была изменена аэродинамическая компоновка, установлено новое оборудование и вооружение, в частности система дозаправки топливом в полете. Первый полет на Су-24М выполнен в 1978 г. Серийный выпуск этой машины продолжался до 1992 г.

На самолете установлены 2 турбореактивных двигателя АЛ-21ФЗ-ЗА с тягой 11200 кгс на форсаже.

Су-24М оборудован прицельно-навигационной системой ПНС-24М «Тигр», объединяющей 13 подсистем. В нее входит импульсно-доплеровская поисковая РЛС «Орион-А», РЛС следования рельефу местности «Рельеф», оптико-электронная система «Кайра-24» с лазерным целеуказателем и телевизионным обзорным блоком, а также контейнерная система обнаружения источников радиолокационного излучения «Фантасмагория».

Пилотажно-навигационное оборудование обеспечивает выход в район цели в режиме автономной навигации по запрограммированному маршруту и автоматического следования рельефу местности на высоте 200 м со скоростью 1320 км/ч, что значительно повысило выживаемость самолета в бою. Оно включает бортовую цифровую вычислительную машину ЦВУ-10-058К, инерциальную систему МиС-П, автоматическую систему управления полетом САУ-6М1 ППВ Имеется система управления вооружением СУО-1-6М.

Бортовой комплекс обороны «Карпаты», обеспечивающий защиту самолета от средств ПВО, включает станцию предупреждения о радиолокационном облучении СПО-15С, теплопеленгатор ЛО-82 для обнаружения пусков ракет, станцию активных помех СПС-161, устройство выброса дипольных отражателей и ложных тепловых целей АПП-50 и блок управления.

Су-24М оборудован системой дозаправки в воздухе с выдвижной штангой-топливоприемником и может оснащаться подвесным агрегатом УПАЗ-А, позволяющим передавать в полете (в том числе ночью) заправляемому самолету до 9000 кг топлива.

В состав управляемого вооружения Су-24М, которое он может нести на восьми точках наружной подвески, входит широкий спектр УР класса «воздух-поверхность» с неядерной боевой частью, включая различные варианты ракет с радиокомандным, лазерным и телевизионным наведением Х-25, Х-29Л(Т), Х-58 и Х-59. Нормальная нагрузка состоит из четырех УР Х-25 на подкрыльевых пилонах или трех ракет Х-29 на двух внутренних подкрыльевых и одном подфюзеляжном пилонах. На внешних подкрыльевых пилонах размещаются УР класса «воздух-воздух» Р-60 (для самообороны).

Возможна также подвеска свободнопадающих бомб массой от 100 до 10ОО кг, двух корректируемых бомб КАБ-1500Л или четырех КАБ-500, блоков НУР калибра от 57 до 370 мм, контейнеров малогабаритных грузов, до трех подвижных установок СППУ-6 с шестиствольными пушками ГШ-6-23М (400 патронов угол отклонения по возвышению до 45°, по азимуту до 120°) Имеется встроенная шестиствольная пушка ГШ-6-28М (калибр 23 мм, скорострельность 9000-10000 выстр./мин, боекомплект 505 патронов).

Су-24М превосходит по боевой эффективности Су-24 на 40 %. Самолет находится на вооружении ВВС и ВМС стран СНГ, ВВС Алжира, Ирака, Ливии, Сирии и Ирана

Су-24МК — экспортный вариант самолета Су-24М.

Су-24МР — разведывательный вариант самолета Су-24М. Предназначен для ведения всепогодной комплексной воздушной разведки днем и ночью в широком диапазоне высот и скоростей на глубину до 400 км за линией боевого соприкосновения войск.

Он разработан на основе фронтового бомбардировщика Су-24М, обладающего крылом изменяемой стреловидности, и не имеет среди зарубежных фронтовых разведчиков аналогов по комплексности получаемой разведывательной информации. Переоборудование и летные испытания самолета были проведены в 1980–1983 гг.

Бортовой навигационный комплекс обеспечивает полет по запрограммированному маршруту, вывод самолета в район разведки, маловысотный полет с огибанием рельефа местности.

Самолет оснащен бортовым комплексом разведки БКР-1. Он состоит из средств инфракрасной, радиолокационной («Штык»), телевизионной, лазерной («Шпиль-М»), общей радиотехнической и радиационной («Эфир-1M») разведки. Кроме того, на самолете установлена аппаратура для панорамной и перспективной фотосъемки — АП-402М (разрешение на местности 0,3 м с расстояния 0,4 км), А-100. Управление средствами разведки осуществляется как вручную, так и автоматически.

РЛС «Штык» обеспечивает просмотр зоны шириной 24 км с каждой стороны от линии курса при ширине непросматриваемого участка (непосредственно под самолетом) 8 км. Высота полета при радиолокационной разведке 100-3000 м, разрешение — 5–7,5 м.

Собранная фотоинформация обрабатывается прямо на борту самолета и может сбрасываться на землю при помощи специальных устройств Остальная разведывательная информация оперативно передается по радиоканалам.

Для самообороны под крылом самолета подвешиваются две УР Р-60 ближнего воздушного боя с тепловой головкой самонаведения.