1959年9月哈尔滨飞机厂用散件组装的第一架图-16实现首飞 。中苏交恶后苏联毁约，直接影响图-16的授权进度，在1960年6月苏联撤走所有驻华专家前，协议内所明定之20架零附件只运交了9架，其余的也全部落空，连提供生产夹具都半途而废了，如同歼7，我们需要在苏联提供的半吊子技术上，摸着石头过河 。这也为后来我国自行大规模“魔改”打下了基础 。
因特殊时期的产业失调，导致轰炸机自制化的期程不断迟滞 。1961年研制工作由哈飞与西飞共同承担转为全部由西飞承担 。直到1964年西飞建设基本完成才开始进行第一架国产化图-16（即后来轰-6甲）的制造工作 。在这段时间西飞基本上已经在摸索掌握图-16的设计，因此在1963年起执行“21-511计划”，将苏联提供散件组装的一架轰-6（编号50671）改装为原子弹载机 。
改装了炸弹舱，增加了放射性防护装置，以及实验测试设备，相关工程于1964年7月完成 。1965年5月14日该机执行中国首次空爆原子弹实验，1967年6月17年执行了中国首次空爆氢弹试验 。1968年将苏联提供散件组装的另一架轰-6改装为，空中发动机实验平台，机腹弹仓处外挂发动机实验吊舱，用于发动机空中测试 。
由于我国当时受工业基础水平限制，虽然机身可以自行生产，但图-16所用的PⅡ-3M型喷气式发动机的国产化仿制举步艰难，整体性能达不到原型机的水平，致使最初的轰-6飞行性能不如原型机图-16 。发动机仿制型号称为“涡喷-8”，由西安航空发动机厂研制，1967年通过测试，1968年开始量产 。随着国产材料、加工工艺技术的提高，涡喷-8的翻修间隔，最大推力的提高总算满足了轰-6及改型的需要 。
1966年10月，西飞完成第一架轰-6原型机，用于静力试验 。1968年12月24日，国产化的轰-6首飞，1969年2月量产的轰六甲（也称轰-6A）进入我空军服役，1969年7月定型并投入小批量生产 。西方国家知晓轰六的存在则是在1971年8月13日，当天轰六实施轰炸训练科目时被美国侦察卫星所拍摄 。CIA在1972年3月评估已经进入服役的轰六至少有32架，还有19架尚待完工 。
而轰六大规模量产则是在1972年起开始，最大产量曾达到年产30架，然而更多时间轰六生产数量并没这么多 。在1973年完成第60架甲/丙量产任务后，曾停产过相当长的时间 。此时因为中美关系改善，我国与西方国家军事合作进入蜜月期 。中方获得了更先进的航电系统，同时中方也在与英国合作中进行涡喷改涡扇，但此合作并未成功，我们最终选择了较易获得的伊尔-76和图-154使用的D30-KP-2，及其国产化版本 涡扇-18 。
因苏联并未将图-16喷改扇，且原版图-16为翼身融合体引擎舱，有优于吊挂式引擎的气动性能，却使换装引擎难度大增，所以此大改是中方未依靠英国或苏联独立研制的成果 。我们另将该机施以整合空射反舰和巡航导弹的机能，由此从仿制生产转向大规模改进设计，主要侧重在提高燃油经济性增加航程，改进电子设备以作为各种导弹的发射平台 。
1982年勃列日涅夫“塔什干讲话”后，中苏关系再度转好，不再需要提防苏联，而且随着弹道导弹技术的不断发展，H-6提供的核运载能力的迫切性和重要性降低了 。使得轰-6的生产和改进趋缓 。直到1985年轰六才再度复产，重点转向为投射反舰导弹设计的轰六丁 。在1990年代对早期生产的数量较少的轰六甲和轰六丙机队实施近代化翻修工程 。
2007年轰-6在又一次大规模改进成为重点投射远程巡航导弹设计的轰-6K后复产，此时机体结构和武器系统已与图-16大相径庭 。轰-6K在采用俄罗斯D-30KP-2涡扇发动机后，推力增加了30%，耗油量减少20%，同时发动机进气口扩大，而作战半径达到了3500公里 。轰-6定位为空军的主力战略机种，同时兼为我军最大型的国产战机，因此利用它改装成多种载台 。
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