Дальний бомбардировщик Ту-16 предназначен для нанесения мощных бомбовых ударов по стратегическим объектам противника. Он выполнен по нормальной аэродинамической схеме со среднерасположенным стреловидным крылом, а также стреловидным оперением. По технологическим и эксплуатационным соображениям крыло, фюзеляж и оперение планера конструктивно выполнено в виде отдельных стыкуемых элементов и агрегатов. Конструкция планера выполнена из дюралюминия Д-16Т и его модификаций, алюминиевых сплавов АК6 и АК-8, высокопрочного сплава В-95 и др. материалов и сплавов.

Фюзеляж самолета полумоно-коковой конструкции, с гладкой работающей обшивкой, подкрепленной набором шпангоутов и стрингеров из прессованных и гнутых профилей, представляет собой обтекаемое сигарообразное тело круглого сечения, которое в отдельных местах имеет поджатие. Он состоит из почти самостоятельных отсеков: носового фонаря Ф-1, герметической кабины Ф-2, переднего отсека фюзеляжа Ф-3, хвостового отсека фюзеляжа с бомбовым отсеком Ф-4, задней герметичной кабины.

В передней герметичной кабине размещены:

— штурман, ведущий навигацию самолета и бомбометание;

— левый пилот, командир корабля;

— правый пилот;

— штурман-оператор, ведущий работу по управлению и техническому обслуживанию радиолокационного бомбардировочного прицела РБП-4 «Рубидий» MM-II и управляющий огнем верхней пушечной установки.

В задней герметической кабине размещены:

— стрелок-радист, обеспечивающий связь с землей и управляющий огнем нижней пушечной установки;

— кормовой стрелок, управляющий огнем кормовой пушечной установки и радиолокационной прицельной станцией ПРС-1 «Аргон-1».

Вход в переднюю кабину обеспечивается через нижний люк под сиденьем штурмана-оператора, а в заднюю кабину — через нижний люк под сиденьем кормового стрелка. Для аварийного покидания самолета имеются аварийные люки со сбрасываемыми крышками: для левого и правого пилотов сверху фюзеляжа, а для остальных членов экипажа — снизу.

Экипаж самолета защищен от огня истребителей противника и от осколков снарядов зенитной артиллерии броней, состоящей из плит, выполненных из материалов АПБА-1, Ст.КВК-2/5ц, КВК-2, и бронестекол.

Крыло стреловидное (35° по линии фокусов, по передней кромке стреловидность переменная). Поперечное V крыла в плоскости хорд - 3°. Конструкция крыла — двухлонжеронная; его средняя часть (кессон) набрана из панелей с толстой обшивкой, усиленной стрингерами. От борта фюзеляжа до нервюры № 12 внутри кессона размещены топливные баки. Носок крыла съемный.

Крыло имеет два разъема: по борту фюзеляжа и по нервюре № 7. По борту фюзеляжа стоит симметричный профиль ЦАГИ НР-С-10С-9 относительной толщиной 15% и на конце крыла — профиль СР-П-12 — 12%.

Хвостовая часть крыла на всем протяжении занята закрылками и элеронами. Закрылки щелевые, выдвигающиеся назад. Элероны имеют внутреннюю аэродинамическую компенсацию.

Хвостовое оперение — свободнонесущее, однокилевое, со стреловидностью по линии фокусов — 42°. Профиль горизонтального и вертикального оперения симметричный. Стабилизатор и киль двухлонжеронной конструкции, рули высоты и направления — однолонжеронной.

Шасси самолета выполнено по трехопорной схеме. Основные стойки размещены на первой объемной части крыла и убираются в обтекатели (гондолы) назад по полету. На каждой основной стойке установлена тележка с четырьмя колесами. На передней стойке шасси имеется два колеса. Для улучшения маневренности самолета на земле при рулежке колеса передней стойки сделаны управляемыми. Хвостовая часть фюзеляжа предохраняется при посадке убирающейся в полете хвостовой опорой. В хвостовой части фюзеляжа установлен контейнер с двумя тормозными парашютами.

Силовая установка состоит из двух турбореактивных двигателей типа АМ-ЗА с максимальной статической тягой 8750 кгс или РД-ЗМ (9500 кгс). Запуск ТРД производится от газотурбинного стартера, смонтированного на двигателе.

Забор воздуха осуществляется у бортов фюзеляжа перед крылом посредством нерегулируемых воздухозаборников. Питание двигателя топливом (керосин Т-1) производится от 27 фюзеляжных и крыльевых баков мягкой конструкции. Максимальная заправка самолета топливом составляет 34 360 кг (41 400 л для Т-1). Для повышения живучести часть топливных баков выполнена протектированной, имеется оборудование заполнения надтопливного пространства нейтральным газом, а также противопожарная система, работающая автоматически.

В ходе эксплуатации двигатели АМ-ЗА и РД-ЗМ были заменены на доработанные ТРД РД-ЗМ-500 с увеличенным ресурсом.

Управление самолетом двойное. Система управления жесткая, без гидроусилителей. К системе основного управления подключен автопилот. Закрылки и триммеры руля поворота управляются от электромеханизмов, триммеры рулей высоты имеют электрическое и дублирующее их тросовое механическое управление.

Гидравлическая система конструктивно выполнена в виде двух независимо действующих гидросистем: основной гидросистемы и гидросистемы управления тормозами. Номинальное давление в гидросистемах — 150 кгс/см. Основная система служит для подъема и выпуска шасси, основного открытия и закрытия створок бом-болюка. Гидросистема управления тормозами одновременно обеспечивает аварийный выпуск и уборку шасси и запасное закрытие створок бомболюка.

Система электроснабжения состоит из первичной системы постоянного тока, питающейся от четырех генераторов ГСР-18000, и аккумуляторной батареи типа 12САМ-53 (резервный источник тока). Вторичной системы переменного однофазного тока, питающейся от двух преобразователей типа ПО-4500.

Герметические кабины самолета — вентиляционного типа, отбор воздуха осуществляется от седьмых ступеней компрессора ТРД. Герметические кабины обеспечивают экипажу необходимые условия для боевой работы как по температуре, так и по давлению. Причем в боевых условиях, в зоне обстрела зенитными орудиями и при вступлении в бой с истребителями противника, во избежание резкого падения давления в кабинах при боевых повреждениях перепад давления в кабине и за бортом устанавливается постоянным и равным 0,2 атм.

Самолет оборудован жидкостной кислородной установкой и кислородными аппаратами для всех членов экипажа.

Передние кромки крыла имеют тепловой противообледенитель с питанием горячим воздухом от компрессоров ТРД. На таком же принципе выполнены противообледенители воздухозаборников двигателей.

Передние кромки киля и стабилизатора оборудованы электротермическими противообледенителями. Передние стекла фонаря кабины летчиков и переднее прицельное стекло штурмана имеют внутренний электрообогрев.