Ту-16А, в отличие от серийных Ту-16, имел систему электрического обогрева бомбоотсека, термоизоляции и термостабилизации с целью обеспечения необходимых условий для транспортируемого самолетом-носителем атомного боеприпаса. Была введена специальная система подготовки и сброса боеприпаса, внедрены специальные меры для эффективной защиты самолета-носителя от воздействия ударной волны и светового излучения.

Самолеты Ту-16А производились с 1954 г. на заводе No.22. Всего до прекращения серии в 1958 г. было построено 453 машины этой модификации. Это был самый массовый серийный вариант Ту-16. Как и Ту-16, Ту-16А приблизительно в равных долях были поставлены в Дальнюю Авиацию и Авиацию ВМФ. В 1960-е гг. 155 Ту-16А переделали в самолеты-ракетоносцы, носители ракет типа КСР-2 и КСР-11. На начало 1980-х гг. в строю еще числилось несколько десятков самолетов типа Ту-16А.

Практические работы по Ту-16А начались в середине 1953 г. Для отработки системы предполагалось переоборудовать два серийных самолета под носители атомного оружия. Проектирование должно было быть закончено в ноябре 1953 г., после чего самолеты предполагалось передать для испытаний в специальную организацию, занимавшуюся вопросами ядерного вооружения Советской Армии и находившуюся на аэродроме в Багерово. Все работы по данной тематике возглавлял генерал Чернорез, внесший огромный вклад в дело перевооружения советских вооруженных сил атомным и термоядерным оружием.

Первыми под заказ 191 (Ту-16А) были переделаны второй и третий серийные самолеты (No.102 и 103). Эти работы были закончены в 1954 г., а с самолета No.502 началось серийное производство Ту-16А. В конце 1950-х гг. весь парк самолетов Ту-16А был доработан по условиям устойчивости к воздействию светового излучения: были заменены некоторые элементы обшивки на более стойкие, поверхности самолета, подвергавшиеся максимальному воздействию светового излучения, покрыли специальной светоустойчивой краской.

В эксплуатации Ту-16А использовались в качестве носителей атомного оружия и обычных свободнопадающих бомб различных типов. В 1970-е гг. Ту-16А были модернизированы по электросети, обслуживающей систему подвески специальной боевой части. Кроме того, улучшили биологическую защиту и т.д. (заказ 657).

К концу эксплуатации самолет Ту-16А с двигателями РД-3М-500 (2 х 9500 кг) имел следующие данные и состав основного оборудования и вооружения: максимальная взлетная масса - 79000 кг; нормальная взлетная масса - 75800 кг; масса пустого самолета - 39720 кг; максимальная скорость полета на максимальном режиме работы двигателей при полетной массе 55000-70000 кг на высотах 0-500 м - 670 км/ч; 6250 м - 890 км/ч; 10000 м - 960 км/ч; максимальное допустимое число М - 0,9; практический потолок при взлетной массе 62000 кг - 12800 м; практическая дальность по "потолкам" со сбросом 3000 кг на середине маршрута - 5800 км; максимальная бомбовая нагрузка - 9000 кг.

Основное оборудование: радиолокационная станция РБП-4; оптический бомбардировочный прицел ОПБ-11р; колиматорный прицел ПКИ; оптические прицельные станции ПС-53ВК; ПС-53БЛ; ПС-53БП; ПС-53К; радиолокационная стрелковая прицельная станция ПРС-1; станция предупреждения об облучении "Сирена-2"; станция активных помех СПС-5М; аппаратура дальней навигации А-711 с А-713; курсовая система - КИ-12; ГПК-52; ДИК-46М; навигационный индикатор - НИ-50Б; радиотехническая система ближней навигации - РСБН-2С; доплеровский измеритель скорости и угла сноса ДИСС-1; радиокомпасы АРК-5; радиовысотомер больших высот РВ-17М; радиовысотомер малых высот - РВ-2; звездно-солнечный ориентатор ИАС-1М; АК-53М; ДАК-2; автопилот АП-6Е; система слепой посадки - СП-50; система полета строем - А-326; командные радиостанции - РСИУ-5В и Р-832М; связная радиостанция - 1-РСБ-70М с приемником УС-9; аварийная радиостанция - Р-851.

Бомбардировочное и минно-торпедное вооружение Ту-16А соответствовало по составу аналогичному вооружению Ту-16, за исключением возможности размещения на мостовом балочном держателе МБД6-16 одного из пяти различных типов атомных бомб, состоявших на вооружении Дальней Авиации. Вариант самолета Ту-16А, приспособленный под подвеску мин, имел обозначение "заказ 699".

В конце 1960-х - начале 1970-х гг. на небольшой части Ту-16А вместо кормовой пушечной установки ДК-7 и ПРС-1 установили станцию РЭП типа СПС-100 в специальном кормовом радиотехническом отсеке, одновременно в техническом отсеке монтировалась станция РЭП СПС-5 (заказ 2624).

Учитывая опыт локальных войн, в конце 1960-х гг. были приняты меры по расширению тактических возможностей Ту-16А. Для этого был подготовлен вариант самолета, приспособленный для несения в бомбоотсеке большого количества бомб малого калибра от 50 до 500 кг (заказ 684/1).

Существовали и другие переделки Ту-16А, отличавшиеся от базовой модели составом оборудования и вооружения. В частности, небольшое количество Ту-16А оснащалось РЛС типа "Рубин" в комплекте с ОПБ-112 (заказ 260).

Одновременно с работами по самолету Ту-95В (Ту-95-202, заказ 242) - носителю водородной бомбы, согласно постановлению Совета Министров СССР от 17 марта 1956 г. и приказу МАП от 29.03.56 г. под самолет-носитель такого боеприпаса был переоборудован Ту-16 No.503. В производстве самолет получил обозначение "заказ 212". В дальнейшем таким образом были переоборудованы еще два серийных Ту-16 (заказ 468): иногда эти машины (по аналогии с Ту-95В) обозначались как Ту-16В. Самолеты использовались при испытаниях и отработках советского ядерного и термоядерного оружия.

Под этим же обозначением Ту-16В ("высотный") прорабатывался проект Ту-16 с двигателями ВД-7.