Prototypy nowej wersji rozpoczęły loty w 1977 roku, produkcja rozpoczęła się w 1979 roku. Zewnętrznie nowy wariant rozróżnić można po dłuższym o 75 centymetrów przodzie kadłuba. W NATO nowej wersji Su-24 nadano oznaczenie Fencer-D.
W oparciu o wersję Su-24M stworzono wyspecjalizowany samolot rozpoznawczy Su-24MR (oznaczenie biura konstrukcyjnego T-6MR), mający najsilniejszy zestaw urządzeń rozpoznawczych wśród radzieckich samolotów taktycznych. W kodzie NATO otrzymał nazwę Fencer-E.
Na bazie Su-24M powstała też wersja Su-24MP, przeznaczona do walki radioelektronicznejSu-24 kontra USS Ross., z zewnątrz celowo nieodróżniająca się od pozostałych samolotów. W kodzie NATO nazwana Fencer-F.
Obecnie bombowiec Su-24M stanowi trzon rosyjskiego lotnictwa uderzeniowego. Wdrażany jest plan zastąpienia Su-24 przez nowoczesny samolot myśliwsko-bombowy Su-34.