По сравнению с его предшественником, М-4, на 3М перекомпоновали переднюю гермокабину, поменяв местами радиолокационный прицел и место штурмана-навигатора. Экипаж сократили до семи человек. Бортинженера-стрелка заменили оператором станции помех СПС-2, а функции радиста стал выполнять верхний стрелок. Изменили аэродинамическую компоновку крыла, введя аэродинамическую крутку и изменили положение аэродинамической перегородки, а также увеличили площадь и размах крыла за счет новых отъемных частей. Горизонтальное оперение сделали переставным, с нулевым углом поперечного «V» и размахом, увеличившимся до 15,2 метров. В итоге максимальное значение аэродинамического качества возросло с 17,45 у М-4 до 18,7.
Вес конструкции планера удалось снизить на 6500 кг за счет облегчения продольного набора крыла, топливных баков и более легких двигателей. Значительно облегчили заднюю стойку шасси, введя главный цилиндр, работающий на растяжение, и рычажную подвеску передней и задней колесных пар. При этом использовали облегченные колеса меньшего диаметра. Одновременно в систему управления ввели демпферы рыскания. Установили станцию помех СПС-2, в задней нише шасси появились три контейнера со средствами пассивных помех для противодействия наземным РЛС, а в корме – два аналогичных контейнера для противодействия самолетным РЛС.
В состав оборудования самолета входили, в частности, автопилот АП-15, два автоматических радиокомпаса АРК-5, радиовысотомеры РВ-2 и РВ-17, система дальней навигации СПИ-1, запросчик – ответчик СРЗО-2 и ответчик СРО-2, аппаратура слепой посадки СП-50, дистанционный астрокомпас ДАК-ДБ.
Теоретически максимальная бомбовая нагрузка осталась прежняя – 24 000 кг. В действительности же в грузовом отсеке размещали не более двух ФАБ-6000 или одной ФАБ-9000. В результате оставалось место для дополнительного топливного бака.
В январе 1955 года при испытании на стенде двигатель ВД-7 развил взлетную тягу 11 100 кгс, а ее номинальное и крейсерское значение составило 8620 и 7225 кгс соответственно. Удельный расход топлива на этих режимах составлял 0,72, 0,72 и 0,719 кг/кгс.ч. При этом сухой вес ТРД не превышал 2400 кг.
В самолет 3М переделали машину М-4, выпущенную заводом № 23 в ноябре 1955 года и получившую № 63020101. Отсюда впоследствии и пошло обозначение 201М. На борту машины нанесли голубой краской № 60.
Первый полет М-6, пилотировавшегося экипажем летчика-испытателя М.Л. Галлая, состоялся 27 марта 1956 года. Дался он нелегко. Вскоре после отрыва от ВПП из-за помпажа «обрезал» один из двигателей и самолет продолжил полет на трех ТРД. Вслед за этим обнаружилась склонность машины к кабрированию, самопроизвольному «задиранию» носа. Но и с этим удалось справиться…
Вслед за первым полетом последовали доработки самолета. Для начала изменили установочный угол стабилизатора, который впоследствии на серийных машинах заменили управляемым, сохранив руль высоты. С зафиксированным стабилизатором остался лишь опытный бомбардировщик № 63020101.
Заводские летные испытания машины завершились в январе следующего года. К сожалению, двигатели ВД-7 так и не появились в установленный срок, и испытания пришлось проводить с АМ-3А. Впоследствии на машине № 0201 установили сначала два ВД-7 и два АМ-3А, и уже после этого промежуточного этапа появились все четыре ВД-7, но с ограниченной до 9500 кгс тягой. В сентябре этого же года завершились заводские испытания другой машины, № 0203, с двигателями ВД-7. В этом же году В.М.Мясищеву присвоили звание Генерального конструктора, а в следующем, 1957 году – Героя Социалистического Труда.