Работы по созданию дальнего стратегического бомбардировщика по проекту «64» начались в ОКБ Туполева еще в 1945 году. Главным конструктором проекта был утвержден Дмитрий Марков. Но с прибытием в Москву американских В-29 и последовавшей за этим программой разработки самолета Ту-4 (которая, кстати, так и не получила особого номера проекта, поскольку вся работа начиналась с уже имевшегося готового самолета) работы по 64-му проекту были свернуты.

В конце 1948 года, когда серийные Ту-4 только- только начали поступать на вооружение строевых авиачастей, Туполев и Марков уже приступили к проектированию нового самолета на замену Ту-4. В определенном смысле это была улучшенная конструкция В-29, причем основной упор конструкторы сделали на уменьшение веса, которое позволило бы улучшить летно-технические показатели. После низкопланов Ту-70 и Ту-75 вернулось на свое место в положение среднеплана крыло, которое было спроектировано заново, имело улучшенные аэродинамические характеристики и более прочный, хотя и облегченный, лонжерон. Переделан был и фюзеляж: он стал легче, а округлый нос Ту-4 заменили на более простой. Для улучшения обзора кабину пилотов несколько приподняли над фюзеляжем. В конструкции нового и несколько более угловатого хвоста выделялся форкиль. На самолете установили двигатели АШ-73ТКФН Швецова.

Все эти изменения привели к тому, что Ту-80 оказался значительно легче, чем Ту-4, и за счет этого мог иметь на борту гораздо больший запас топлива. В первом испытательном вылете с аэродрома в Жуковском 1 декабря 1949 года Ту-80 пилотировал летчик Алексей Перелет. В ходе государственных испытаний была достигнута скорость 640 км/час. Однако в преддверии эпохи реактивных самолетов Ту-80 суждено было остаться всего лишь очередным шагом в истории создания стратегической бомбардировочной авиации в Советском Союзе. С выполнением программы испытаний дальнейшие работы по этому самолету были прекращены.