В начале 1958 года Туполев приступил к предварительным исследованиям в области создания нового фронтового сверхзвукового лёгкого бомбардировщика и ракетоносца под названием «Самолёт 127». Концепция предусматривала создание ударного самолёта промежуточного класса, который занял бы нишу между истребителем-бомбардировщиком Су-7Б (С-22) и «Самолётом 98» Туполева. В феврале отдел С. М. Егера определил размеры, компоновку, а также предполагаемые лётные и эксплуатационные характеристики «127». Предварительные расчёты предполагали создание двухместного однодвигательного многоцелевого самолёта со стреловидным крылом 55° и низкорасположенным хвостовым оперением. К планеру было применено «правило площадей», и был выбран один турбореактивный двигатель ВД-7М, развивающий тягу 156,8 кН.
Его верхний воздухозаборник располагался за кабиной пилота. В средней части фюзеляжа располагался грузовой «отсек». Он находился под центральной плоскостью крыла.
В зависимости от поставленной тактической задачи в нём размещались либо ракета класса «воздух-земля» П-15, либо вспомогательный топливный бак, либо 2000 кг бомб, либо комплект разведывательного оборудования. В передней части фюзеляжа располагались герметичные кабины пилота и (полностью остеклённая) кабина штурмана.
Последняя была оснащена оптическим бомбовым прицелом. Кроме того, под кабиной штурмана был установлен обтекатель для размещения системы наведения ракет. Всё топливо, от 5500 до 6000 кг, будет находиться внутри фюзеляжа, а трёхколёсное шасси в стиле Туполева будет убираться в переднюю часть фюзеляжа и обтекатели на крыльях. Шасси оснащено шинами высокого давления (двухопорное носовое и четырёхколёсное основное шасси). Это позволило конструкторам свести к минимуму размеры отсеков для убранных шасси.
Была установлена радиолокационная станция наведения и навигации «Инициатива», которая была стандартной для предыдущих проектов фронтовых бомбардировщиков Туполева, и которая была дополнена необходимым оборудованием для наведения и прицеливания ракет. Конструкторское бюро также подготовило дальнейшую разработку «127» под названием «Самолёт 129», компоновка которого напоминала американский тактический истребитель-бомбардировщик Republic F-105 Thunderchief; однако ни «Самолёт 127», ни «129» не вышли за рамки предварительного проектирования. Предполагаемая рабочая высота «Самолёта 127» составляла 18000 м, а дальность полёта — 2400 км при дозвуковой скорости и от 800 до 1100 км на сверхзвуковой скорости.