Наиболее заметным внешним отличием ракеты от предшественницы стало применение крыльев с обратной стреловидностью по задней кромке. Изменилась и внутренняя компоновка, число отсеков уменьшилось с 8 до 5. Первым отсеком традиционно являлась головка самонаведения. Во втором отсеке последовательно располагались радиовзрыватель «Скворец», автопилот и работающий от специального порохового аккумулятора давления турбогенератор. Стержневую боевую часть с радиусом поражения 10 м и предохранительно-исполнительный механизм переместили в третий отсек. Твердотопливный двигатель ПРД-287 образовывал четвертый отсек. В пятом отсеке вокруг удлиненного газохода сопла размещался блок газогенераторов, обеспечивающий питание рулевых машин. Разработали и тепловой вариант ракеты ( «изделие 160») с усовершенствованной головкой самонаведения ТГС-23Т4. Ракета размещалась на доработанном пусковом устройстве — АПУ-23М Проектирование ракеты и летные испытания провели в сжатые сроки, но последующие доводки затянули формальное принятие новой ракеты в качестве штатного вооружения самолетов МиГ-23МЛ и МиГ-23П до 1981 г. Ракеты Р-24 успешно применялись с самолетов МиГ-23МЛ в ходе вооруженного конфликта в Южном Ливане в 1982 г. в ходе которого, по заявлениям сирийской стороны, этим истребителям удалось с «сухим счетом» сбить три F-15 и один F-4. Позднее ракета была модернизирована — на Р-24М была повышена помехозащищенность ГСН.

Важным событием, связанным с историей создания и эксплуатации ракет семейства Р-23/Р-24, стала ускоренная разработка нового радиоэлектронного и ракетного вооружения для самолетов типа МиГ-25 после известного эпизода с посадкой летчика Беленко в Японии. Как известно, сверхскоростные перехватчики ПВО были вскоре переоснащены на РЛС «Сапфир-25» (РП-25), созданную на базе «Сапфир-23», а также перевооружены ракетами Р-40Д с радиолокационной головкой самонаведения РГС-25, унифицированной с РГС-24 В целом, разработка ракеты К-24 стала заметной вехой в истории отечественного ракетостроения. За счет реализации оригинальной схемы функционирования впервые удалось достичь превосходства по максимальной дальности над американскими аналогами применительно к вооружению самолетов фронтовой авиации.