Создание Ту-28А показало, что попытки развития базового комплекса только путем увеличения тяги силовой установки и внедрения новейших радиолокационных и ракетных систем не способны в полной мере удовлетворить возросшим требованиям к перспективному авиационно-ракетному комплексу перехвата - требовалась коренная модернизации самолёта-носителя. В 1963 г начались работы над двумя новыми комплексами на основе нового проекта «138» (Ту-138). Радиоэлектронная и ракетная компоненты комплекса по сравнению с Ту-28А практически не изменились. Предлагались два варианта: Ту-138-60 с РЛС «Смерч-А» и новыми ракетами К-60, и Ту-138-100 с РЛС «Гроза-100» и ракетами К-100.

Самолёт Ту-138 («138») сохранял общую компоновку Ту-128, силовая установка базировалась на использовании двигателей ВД-19, улучшение аэродинамики достигалось за счет нового аэродинамически чистого крыла с меньшей относительной толщиной и новой формой в плане. Основные усилия сосредоточили на улучшении лётных данных за счет изменений аэродинамики самолёта. Для достижения высоких скоростей с теми же самыми ТРД ВД-19 для Ту-138 выбрали крыло с уменьшенной относительной толщиной и с сохранением основных аэродинамических и компоновочных решений Ту-28А, затем перешли к аэродинамически чистому крылу без обтекателей основных стоек шасси. Теперь они убирались в крыло и в фюзеляж, но это сократило объемы под топливо. Новые РЛС и ракеты должны были значительно расширить возможности комплекса по перехвату скоростных целей. Например, максимальная скорость с ракетами увеличивалась на 800 км/ч, увеличивалось время барражирования, улучшались взлетно-посадочные характеристики, увеличивались дальности обнаружения и захвата целей РЛС и дальности действия ракет.

По проекту «138» (Ту-138) подготовили модель самолёта и продули ее в аэродинамических трубах ЦАГИ. Выяснилось, что аэродинамические улучшения позволяют достичь требуемой максимальной скорости. Однако снижение аэродинамического качества на крейсерских скоростях на дозвуке в сочетании с сокращением запаса топлива, при сохранении весовых лимитов, привело к существенному сокращению дозвуковой дальности и, соответственно, рубежей перехвата. Возникшую проблему пытались решить увеличением запаса топлива и установкой системы дозаправки, при одновременном использовании сдува пограничного слоя с закрылков и носков крыла для улучшения взлетных характеристик. Но все это еще больше увеличивало массу пустого самолёта и сводило все попытки увеличения дальности практически к нулю.

Помимо привычных компоновок, близких к Ту-128, в отделе техпроектов прорабатывали и «экзотику». Предлагались варианты «138» (Ту-138) по схеме «летающее крыло» и по схеме «утка» с треугольным крылом готической формы. Существовали и другие проекты «138», не вышедшие из стадии техпредложений. Проблема с дальностью для Ту-138 оставалась актуальной. Требовалось революционное техническое решение, способное сделать самолёт многорежимным с аэродинамической компоновкой, одновременно обеспечивающей достижение высоких сверхзвуковых скоростей и большую дальность полёта на дозвуковой скорости. Им стало использование в последующих разработках по проекту «148» (Ту-148) дальнего комплекса перехвата самолёта с крылом изменяемой в полёте стреловидности. С началом работ по этому комплексу все работы по проекту «138» (Ту-138) были прекращены.

Тактико-технические характеристики «138» (Ту-138)
Размах крыла, м   17.53
Длина, м   31.73
Высота, м   7.78
- пустого самолета   
- нормальная взлетная   45000
- максимальная взлетная   47000
Тип двигателя   2 ТРД ВД-19
Тяга нефорсированная, кгс   2 х
Максимальная скорость , км/ч   2400
Дальность перехвата, км   
- на дозвуке   2100
- на смешанном режиме   1800
- на сверхзвуке   1000
Продолжительность барражирования, ч   4.5
Практический потолок, м   18000
Экипаж, чел   2
Вооружение:   4 УРВВ К-80