Después del éxito alcanzado con el prototipo como el primer avión supersónico de pasajeros en el aire, era necesario mejorar el diseño para corregir algunos problemas detectados y para superar el rango de 3.500 km en vuelo supersónico.

Para optimizar la aerodinámica del avión en modo supersónico el ala fue profundamente modificada y su superficie incrementada. La longitud del fuselaje también fue incrementada para transportar 150 pasajeros y los motores reemplazados por el modelo mejorado NK-144A.

Uno de los cambios más importantes fue la nueva configuración de los motores en dos diferentes y separadas barquillas con dos motores y sus propias entradas de aire cada uno. Esta opción solucionaba los problemas de vibraciones y altas temperaturas en la parte baja del fuselaje. Un nuevo y original sistema de retracción del tren de aterrizaje principal fue desarrollado porque ahora estaba ubicado entre los dos motores.

Otro importante cambio fue que se añadieran dos estabilizadores en la parte delantera del fuselaje para proporcionar estabilidad en el aterrizaje y despegue. Con todos estos cambios el peso de despegue se incrementó hasta 190 toneladas.

CCCP-77101 fue el último avión producido en la planta MMZ “Opyt” y ensamblado en Zhukovski, y el primero del modelo Tu-144S. En abril de 1973 fue usado como escenario de una conferencia de prensa.