Разработка высотного сверхзвукового самолета оперативной разведки Е-155Р была задана тем же Постановлением Совета Министров СССР от 5 февраля 1962 г., в соответствии с которым велось создание перехватчика Е-155П, и Е-155Р рассматривался как его модификация. Основные конструктивные отличия разведчика от перехватчика заключались в перекомпоновке носовой части фюзеляжа, в которой вместо бортовой РЛС устанавливалось разведывательное оборудование, и установке на законцовках крыла несбрасываемых топливных баков общей емкостью 1200 л с вертикальными «ластами», служившими для повышения путевой и снижения поперечной устойчивости.
Для расширения фронта испытаний в 1966 г. на горьковском авиационном заводе был выпущен третий экземпляр разведчика - Е-155Р3 (бортовой № 3155), воплотивший ряд конструктивных усовершенствований. К ним относились: увеличение площади вертикального оперения и организация в килях топливных баков-отсеков (от подвесных баков на концах крыла и «ластов» при этом отказались), усиление хвостовой части фюзеляжа, удлинение носовой части фюзеляжа, изменение формы передней кромки крыла, установка под крылом пилонов для подвески фотоосветительных бомб (для ночной фотосъемки), организация новых люков для размещения других типов фотоаппаратуры, доработка топливной системы и т.д. Все это должно было привести к увеличению дальности и максимальной скорости полета.