Начиная с 1954 г., на базе Ту-16 был создан ряд летающих лабораторий. Самую большую группу самолетов Ту-16ЛЛ составили универсальные летающие лаборатории для испытаний турбореактивных двигателей. Первым из этих ТРД стал АЛ-7Ф, под который к 1 сентября 1955 г. переоборудовали самолет №1880403. Всего же для испытаний двигателей переоборудовали девять Ту-16. При этом с самолетов снимали все вооружение, створки грузоотсека заменяли на специальные обтекатели, различные по форме в зависимости от подвешиваемого двигателя (проводились испытания ТРД внешним диаметром до 2 м). В грузоотсеке монтировался подвижный механизм с гидроприводом, который выдвигал опытный двигатель в поток и убирал его в грузоотсек, а также мог сбросить аварийно. Для исключения попадания в испытуемый двигатель посторонних предметов на земле, при взлете и посадке входное устройство закрывалось убирающимся обтекателем. Ту-16ЛЛ оснащался рабочим местом инженера-испытателя, органами управления двигателем, контрольно-записывающей аппаратурой, другим дополнительным оборудованием, а в его системы вносились необходимые изменения. За 30 лет эксплуатации на Ту-16ЛЛ были испытаны почти все советские ТРД 2-го и 3-го поколений, а также многие двигатели 4-го поколения, в т.ч.: НК-8, Д-30, Р15Б-300, Д-36, АЛ-7Ф, Р-29, Р-95 и др.

С 1957 г. по апрель 1959 г. в ЛИИ проводились испытания Ту-16 №1882808, оснащенного двигателями с реверсом тяги РД-ЗМР, что позволило сократить длину пробега на 30-35% (с 1500 м до 950 м). По итогам этих испытаний было создано реверсивное устройство для Ту-104. В 1961 г. на том же Ту-16 проводились наземные испытания шумопоглощающих сопел лепестковой и трубчатой конструкции. Обе работы по различным причинам не привели к созданию серийных образцов.

Во второй половине 1950-х гг. один из серийных Ту-16 переделали в ЛЛ для испытаний автомата вздыбливания основных опор шасси тяжелого сверхзвукового бомбардировщика М-50. На машине проводились только наземные исследования. При создании еще одной машины той же фирмы - высотного самолета М-17, потребовалось проведение летных экспериментов еще до постройки опытных экземпляров этого аппарата. Одна из ЛЛ на базе Ту-16, названная 17ЛЛ-1, с ноября 1978 г. использовалась для отладки высотного двигателя РД36-51В. Другая -17ЛЛ-2 - была создана на базе Ту-16К-10, с которого сняли все вооружение и заменили переднюю часть фюзеляжа, установив вместо нее носовую часть самолета М-17 с комплектом опытного оборудования и подвижной пушечной установкой. В ходе испытаний проводились стрельбы противоаэростатными фугасно-зажигательными боеприпасами по аэростатам-мишеням.

Несколько Ту-16 были использованы для других видов испытаний. Так, Ту-16 со стрелковой установкой ДК-20 предназначался для летных испытаний пушечной установки для Ту-22. При создании беспилотного самолета-снаряда "121", а затем и разведчика "123" "Ястреб" в начале 1960-х гг. на базе Ту-16 силами ОКБ-156 была оборудована ЛЛ для испытаний телеметрической аппаратуры. Примерно в то же время с целью ускорения отработки комплекса К-22 для самолетов Ту-22К, Ту-22М и Ту-95К-22 была создана летающая лаборатория Ту-16К-22. На другой ЛЛ в ЛИИ проводились испытания противообледенительных систем самолетов. Для этого сверху фюзеляжа вертикально устанавливалась исследуемая поверхность и крепились специальные распылительные устройства.

Модификация	Ту-16ЛЛ
Размах крыльев, м	33.0
Длина, м	34.8
Высота, м	10.4
Площадь крыла, м2	164.65
Масса, кг
пустого самолета	37200
нормальная взлетная	72000
максимальная взлетная	79000
Топливо, кг	36000
Тип двигателя	2 х ТРД РД-3М
Тяга, кгс	2 х 9500
Скорость, км/ч
максимальная	1050
крейсерская	850
Перегоночная дальность, км	7200
Дальность полета, км	5925
Боевой радиус действия, км	3150
Практический потолок, м	12300
Экипаж, чел	7