В мае-июле 1960 г. серийный Ту-16КС №7203608 переоборудовали в опытный носитель комплекса К-16, при этом он получил название Ту-16КСР-2. В период с 25 октября 1960 г. по 30 марта 1961 г. комплекс проходил ГИ, выявившие необходимость доработки и повторных испытаний системы наведения. Изменения коснулись станции КС-ПМ, в частности, были увеличены размеры антенны. После повторных Госиспытаний, проведенных в июле-августе 1961 г., доработанную систему К-16 Постановлением Совмина СССР №1184-514 от 30 декабря того же года приняли на вооружение ДА и Авиации ВМФ.

С 1962 г. на ремонтных предприятиях началось переоборудование Ту-16КС в носители крылатых ракет КСР-2. Переоборудованные самолеты, кроме обозначения Ту-16КСР-2 или изделия «НКСР-2», именовались также Ту-16К-16 или изделие «НК-3», а в некоторых документах -Ту-16КС-КСР-2. Параллельно с ракетоносцами началось переоборудование в носители комплекса К-16 и бомбардировщиков Ту- 16А и Ту- 16А(ЗА). При этом на самолетах сохранялось бомбардировочное вооружение, и этот вариант получил обозначение Ту-16КСР-2А или Ту-16А-КСР-2. Позднее, после дооборудования Ту- 16КСР-2 бомбардировочным вооружением, это отличие исчезло.

В том же году на контрольные испытания в ГК НИИ ВВС были предъявлены два первых предназначенных для эксплуатации Ту-16КСР-2 (№7203820 и №5202010), переоборудованных соответственно из Ту-16КС и Ту-16А. Эти самолеты отличались от проходившего испытания в 1960 г. заменой балочных держателей БД-245 на БД-352, установкой РЛС «Рубин-1 К» (вместо «Рубин-1 »)> автопилота АП-6Е (вместо АП-5-2М) и др. Кроме того, на самолетах, переделанных из Ту-16А, усиливалась конструкция крыла для балочных держателей БД-352 и дорабатывались закрылки (их выпуск при подвеске КСР-2 ограничивался 25, и в них сделали вырезы под киль ракеты). Контрольные испытания продолжались до лета 1964 г. с перерывами на доработки. В результате удалось подтвердить целесообразность принятия системы на вооружение и предложить дальнейшие пути ее совершенствования.