Tu-144D była ulepszoną wersją podstawowego samolotu. Zmodernizowano silniki, które były bardziej wydajne pod względem zużycia paliwa i umożliwiły zwiększenie zasięgu do 5300 kilometrów. Tak zbudowano pięć samolotów.
W maju 1978 r. Tu-144 (ulepszona wersja o nazwie Tu-144D) rozbił się podczas lotu testowego podczas dostawy, a flota pasażerska została na stałe uziemiona po zaledwie 55 zaplanowanych lotach. Samolot był używany jako samolot towarowy do 1983 r., Kiedy to wykonano łącznie 102 loty komercyjne. Tu-144 został później wykorzystany przez radziecki program kosmiczny do szkolenia pilotów statku kosmicznego Buran oraz przez NASA do badań naddźwiękowych.