С Ту-16К-10 сняли системы подвески и пуска ракеты, заделали углубление под нее в нижней части фюзеляжа и установили специализированную РЛС «ЕН-Р», обтекатель антенны которой имел несколько большие размеры, чем у стандартной РЛС «ЕН». На нижней поверхности фюзеляжа в районе грузоотсека установили три каплевидных обтекателя антенн станций радиотехнической разведки (передний и задний — для СРС-1, средний, несколько больших размеров, — для СРС-4). Работал с этими системами оператор, находившийся в подвесной гермокабине. Для оптической разведки использовался плановый аэрофотоаппарат АФА-33/20М, размещенный в переднем техническом отсеке, и перспективный АФА-42/75. Кроме того, некоторые машины оснащались станциями для постановки радиопомех СПС-1 и СПС-2. Кроме выполнения разведывательных задач, самолет мог осуществлять наведение на цель крылатых ракет К-10С, запускаемых с ракетоносцев Ту-16К-10 и Ту-16К-10–26.

Опытный морской разведчик успешно прошел испытания в начале 1960 гг., после чего был принят на вооружение под обозначением Ту-16РМ-1 (индекс «РМ» означал «разведчик морской»). На ремзаводах Авиации ВМФ в этот вариант переоборудовали 11 (по другим данным — 12) Ту-16К-10. Кроме того, аналогично переоборудовали 12 (по другим данным — 11) ракетоносцев Ту-16К-1 ОД, разведчики на базе которых назывались Ту-16РМ-2. В общей сложности в авиации флота эксплуатировались 23 самолета Ту-16РМ-1 и Ту-16РМ-2.