Оценивая возможный ход операций на завершающем этапе Великой Отечественной войны, представители Военно-Воздушных Сил страны внесли предложение на базе хорошо зарекомендовавшего себя и успешно освоенного личным составом частей бомбардировщика Ту-2 создать еще более скоростной фронтовой бомбардировщик. Предложение было принято. Конструкторский коллектив, возглавляемый Андреем Николаевичем Туполевым, в очень короткий срок спроектировал и к первомайскому празднику 1945 года построил первый экземпляр опытного самолета «68», получившего затем обозначение Ту-10.
На бомбардировщике установили новые двигатели водяного охлаждения АМ-39 ФНВ мощностью, по 1850 л. с. с непосредственным впрыском топлива в цилиндры. Водяные радиаторы разместили в носовой части фюзеляжа. Фонарь носовой части центроплана, в соответствии с пожеланиями экипажей, выполняющих боевые задания на серийных Ту-2, на самолете «68» был сделан несколько шире, что улучшило обзор и летчику, и штурману.
Изменения, внесенные в конструкцию и компоновку самолета, себя оправдали. Испытания, которые начал летчик А. Перелет, выполнивший в мае 1945 года первый полет на опытном бомбардировщике, практически подтвердили основные расчеты конструкторов. Самолет «68» на высоте 7100 м показал скорость 635 км/ч, что почти на 90 нм/ч больше, чем у Ту-2. Высоту в 5 тыс. м он набирал за 11,1 мин. Его практический потолок достигал 9800 м, а дальность полета — 1660 км. Нормальный взлетный вес опытной машины 11370 кг, бомбовая нагрузка 1000 кг.
Во время государственных испытаний экипажу «68» пришлось совершить посадку с убранным шасси. После ремонта на самолете использовали трехлопастные винты нового типа и испытания были продолжены. В заключении говорилось, что бомбардировщик «68» отвечает предъявленным требованиям и при устранении выявленных в ходе испытаний недостатков может быть принят на вооружение.
Конструкторский коллектив согласился с замечаниями испытателей и не только устранил выявленные недостатки, но и внес дополнительные изменения. На бомбардировщик установили новые двигатели АМ-39 ФН-2 и четырехлопастные флюгерные воздушные винты, несколько увеличили площадь вертикального оперения и т. д. В результате летные и эксплуатационные качества машины еще улучшились. При той же максимальной скорости практический потолок увеличился до 10450 м, для набора 5000 м высоты стало достаточно десяти минут.
Завершение испытаний улучшенного варианта экземпляра бомбардировщика практически совпало с окончанием второй мировой войны. Доводить самолет до серийного строительства уже не было смысла, к тому же уже широко велись научно-конструкторские работы над более перспективными боевыми машинами с реактивными двигателями. Таким образом самолет Ту-10 (68) оказался в нашей авиации последним фронтовым бомбардировщиком с поршневыми двигателями. Эта машина затем стала исходным вариантом реактивного бомбардировщика Ту-12 (77).