Установка двигателей, прижатых к фюзеляжу у основания крыла, потребовала оригинального конструктивного решения проводки каналов воздухозаборников двигателей через крыло. Для этого в корневой зоне первого и второго лонжеронов установили специальные рамы для основного потока воздуха. Под крылом разместили дополнительные воздухозаборники. Такое решение позволило получить удачную конструкцию, обеспечивавшую необходимый расход воздуха для работы двигателей АМ-3, с учетом сравнительно небольшой строительной высоты в корневой части крыла и выбранной схемы среднеплана. При всех достоинствах подобного решения у него оказался существенный недостаток — конструкция была накрепко привязана к конкретному двигателю — АМ-3 или к его модификациям. В перспективе — замена на другой тип двигателей с другими габаритами или увеличенным расходом воздуха представляла серьезную проблему. В тот момент над этим мало кто задумывался, ведь даже при самой большой фантазии вряд ли кто из создателей самолета думал, что он дослужит до конца столетия, а его китайские братья будут летать и в XXI веке.
Большой бомбовой отсек в фюзеляже за задним лонжероном центроплана позволял расположить сбрасываемые грузы (бомбы, а затем и ракеты) близко к центру масс самолета, что обеспечивало небольшие изменения центровок при их сбросе. Сам отсек не нарушал силовой схемы крыла, прочность и жесткость фюзеляжа в районе бомбоотсека обеспечивались применением мощных продольных балок-бимсов. В варианте носителя ядерного оружия бомбоотсек выполнялся термостабилизированным, аналогично Ту-4А. Весь экипаж самолета, состоявший из шести человек, размещался в двух герметичных кабинах с обеспечением катапультирования всех членов экипажа. В задней (кормовой) герметической кабине, в отличие от всех тяжелых боевых самолетов более ранней разработки, размещались два стрелка, что обеспечивало их лучшее взаимодействие и повышало моральную устойчивость. Создание комплекса мощного стрелково-пушечного вооружения, состоявшего из трех подвижных спаренных установок и одной однопушечной передней, четырех прицельных постов, внедрение радиолокационного кормового прицела позволило обеспечить эффективную систему обороны.
В основных стойках шасси впервые в мире применили оригинальную схему уборки. Стойки шасси с четырехколесными тележками убирались в крыльевые гондолы назад по полету, при этом тележка запрокидывалась назад в положение, параллельное стойке. Схема уборки основных стоек шасси в крыльевые гондолы с опрокидыванием стала приоритетом ОКБ и была запатентована. При проектировании системы управления ОКБ не пошло на применение гидроусилителей, ссылаясь на их низкую надежность. В связи с этим для Ту-16 управленцам ОКБ пришлось принять специальные меры по обеспечению приемлемых для летчика усилий на штурвалах.
Поскольку Ту-16 должен был стать первым массовым советским носителем ядерного оружия, перед ОКБ А. Н. Туполева, ЦАГИ и другими организациями, связанными с ядерной проблемой, сразу же поставили задачу обеспечения безопасности самолетов-носителей и их экипажей при взрывах атомных, а затем и термоядерных боеприпасов. Особого внимания потребовало изучение влияния теплового удара от светового излучения на дюралевые сплавы (участники испытаний по применению ядерного оружия рассказывают, что после комплексного воздействия ядерного взрыва на самолет его нижняя дюралевая обшивка протыкалась пальцем, словно тонкий картон). Для решения этих проблем к работе подключились крупные силы ЦАГИ, других отраслевых предприятий и НИИ, была создана экспериментальная база, моделировавшая комплекс воздействующих факторов на самолет при ядерном взрыве. Проводились натурные испытания образцов авиатехники на воздействие реальных ядерных взрывов различной мощности. Отрабатывались наиболее безопасные тактические приемы сброса с самолетов ядерных бомб. В результате всех этих работ ко второй половине 1950-х годов удалось внедрить ряд эффективных способов защиты новых самолетов-носителей, в том числе и Ту-16, от воздействия поражающих факторов ядерного взрыва.
Рабочие чертежи на первый опытный самолет «88-1» (заказ 881) ОКБ подготовило и передало в опытное производство в период с февраля 1951-го по январь 1952 года. Работы шли с листа, с взаимными корректировками живой конструкции и бумаги. Темпы постройки для такой крупной машины были впечатляющими: в апреле 1951 года началась подготовка оснастки, в мае уже собрали носовую часть фюзеляжа. К концу 1951 года построили первую опытную машину. Одновременно строился экземпляр планера для статических испытаний. 25 января 1952 года опытный самолет «88-1» перевезли в ЖЛИ и ДБ[63] для дальнейших доводок. 30 января самолет встал в линейку туполевских машин на стоянке, начались доводки оборудования, гонка двигателей, параллельно проводилась установка поступавшего с опозданием оборудования.