Одновременно с началом испытаний Ту-154 шла подготовка и развертывание серийного производства самолета на КуАЗе (самолет был запущен в серию на КуАЗе в 1968. Предварительно для этого ОКБ пришлось перерабатывать серийную технологию и вносить в конструкцию необходимые изменения, отвечавшие специфики и организации производства КуАЗа (первоначально Ту-154 предполагалось серийно строить на московском заводе "Знамя труда", но из-за большой загруженности завода производством истребителей МиГ-21 и освоением первых МиГ-23 серию Ту- 154 передали в Куйбышев). Все это не могло не отразиться на сроках постройки и качестве первых серийных машин, первые из которых начали летать в 1970 г., и которые стали фактически предсе- рийными самолетами и приняли участие в Совместных испытаниях. Однако, несмотря на серьезные трудности, КуАЗ за сравнительно короткий срок выпустил головную партию и доработал ее в соответствии с результатами Государственных и эксплуатационных испытаний.
Помимо испытаний по основной программе Совместных испытаний самолеты Ту-154 выполняли полеты по программе специальных летных испытаний. Две машины №№ 85001 и 85002 летали на больших углах атаки, причем борт 85002 был оснащен противоштопорным парашютом и средствами спасения экипажа. В ходе испытаний самолеты постоянно дорабатывались: была изменена система управления закрылками, доработана система АБСУ-154 и т.д. На других машинах доводилась силовая установка, самолетные системы и оборудование.
Все работы по созданию и доводке самолета Ту-154 на первом этапе возглавлял Главный конструктор Д.С.Марков, а затем С.М.Егер. Именно на них легли все основные проблемы, связанные с испытаниями и освоением в серии самолета. С 25 мая 1975 г. руководителем работ по самолету Ту-154 был назначен А.С.Шенгардт, ставший затем Главным конструктором по этой машине и ее многочисленным модификациям, который руководил и руководит до настоящего времени всем комплесом работ связанным с совершенствованием Ту-154.
В ходе первого этапа испытаний в 1969 году опытный самолет Ту-154 демонстрировался на салоне в Ле Бурже.
Через год начались эксплуатационные испытания предсерийных самолетов на линиях "Аэрофлота". Одновременно началось переучивание экипажей на новый тип пассажирского самолета. Эксплуатационные испытания проводились уже на шести серийных самолетах.
Новый магистральный самолет Ту- 154 поступил во Внуково в конце 1970 года. В мае 1971 года его начали использовать для перевозки почты из Москвы в Тбилиси, Сочи, Симферополь и Минеральные Воды. На трассы "Аэрофлота" лайнер вышел в начале 1972 года. Свой первый регулярный рейс Москва – Минеральные Воды Ту-154 совершил в день 49-й годовщины "Аэрофлота" – 9 февраля 1972 года. Рейс выполнил экипаж в составе командира корабля Е.И.Багмута, второго пилота А.В.Алимова, штурмана В.А.Самсонова и бортинженера С.С.Сердюка.
Ту-154 Б-1
Испытания Ту-154 в основном подтвердили его летные характеристики, но также показали, что самолет требует дальнейшего совершенствования в части повышения надежности некоторых его конструктивных узлов, агрегатов, улучшения эксплуатационной технологичности и изменений в компоновке пассажирской кабины. Однако главными проблемами самолета являлись обеспечение заданного ресурса и введение системы автоматического захода на посадку до высоты 30 м. В дальнейшем все развитие самолета Ту-154, до появления модификации Ту-154М, вращалось в основном вокруг решения этих проблем. Последовательно были созданы модификации Ту-154А и несколько вариантов Ту-154Б с двигателями НК- 8-2У с увеличенной тягой, в которых эти задачи последовательно решались по мере накопления опыта эксплуатации и готовности необходимых систем, агрегатов и оборудования.
До внедрения на самолет типа Ту- 154 нового, более экономичного двигателя Д-30КУ-154, в руках ОКБ практически имелось лишь только одно средство снижения удельных расходов топлива по самолету – рациональная компоновка пассажирской кабины.Так появились модификации Ту-154Б-1 на 160 пассажирских мест, а также конвертируемый вариант Ту-154Б-2 на 164-180 пассажирских мест.
Значительного улучшения экономических характеристик самолета удалось достичь с разработкой и внедрением в серию и эксплуатацию самолета Ту- 154М с новыми более экономичными двигателями Д-30КУ-154 и значительными улучшениями местной аэродинамики различных частей самолета.
В 80-е годы самолеты Ту-154 различных модификаций стали самыми массовыми самолетами Аэрофлота.Ту- 154 выполнял и выполняет полеты по маршрутам, связывающим практически все крупные города СССР. Самолет в летние периоды стал основным "перевозчиком" туристом и отдыхающих в южные города страны. Самолеты Ту-154 совершали полеты в более чем 80 городов Европы, Азии и Африки, неоднократно представлялись на различных международных выставках и авиационных салонах.
На начало 1996 г. КуАЗ выпустил около 950 самолетов типа Ту- 154, в настоящее время продолжается серийное производство модификации Ту-154М, готовится серийное производство модернизированного варианта Ту- 154-100, рассматриваются другие варианты модернизаций. На начало 1995 г. в гражданском воздушном флоте России находилось 537 самолетов Ту-154Б, 272 – Ту-154М, 11 "салонных" машин (использовались в правительственном отряде), 22 машины в различных вариантах эксплуатировались в вооруженных силах России. Остальные машины летают в различных компаниях стран СНГ и были поставлены за границу. Самолеты Ту-154 первых выпусков начиная с 1972 года купили и ввели в эксплуатацию Болгария и Венгрия, затем к ним присоединились ЧССР, СРР, Куба, КНДР, получавшие уже самолеты более поздних выпусков. Всего на середину 80-х годов было продано этим странам около 60 машин модификаций Tv- 154, Ту-154Б, Ту-154Б-1 и Ту-154Б-2. С появлением Ту-154М экспорт самолета значительно расширился, на сегодняшний день Ту-154М эксплуатируется в КНР, на Кубе, в Иране, в Польше, в Болгарии, в Чехии и Словакии, в Сирии и ФРГ, несколько машин Ту-154М эксплуатировались в Афганистане.