В середине 50-х годов, с появлением мощных отечественных турбореактивных двигателей потребовалось создать летающую лабораторию, на которой можно было бы проводить летные испытания этих двигателей, разместив на ее борту большое количество контрольно-записывающей аппаратуры и необходимое число инженеров-экспериментаторов.
29 июня 1957 года Приказом МАП ОКБ-156 поручалось переоборудовать второй опытный самолет Ту-95 (самолет "95-2") в летающую лабораторию для испытаний двухконтурного
турбореактивного НК-6
(двигатель проектировался на максимальную статическую тягу 23-25 тонн). НК-6 предназначался для перспективного варианта сверхзвукового бомбардировщика Ту-22 (самолет "106"), проектов "108" и
ряда других самолетов.
Самолет "95-2" переоборудовался под летающую лабораторию на заводе № 18. Ту-95ЛЛ был готов к лету 1958 года. Первым на нем был испытан опытный двигатель НК-6, но в серию этот двигатель не попал
и работы по нему вскоре были прекращены. В дальнейшем Ту-95ЛЛ использовался для испытаний и доводок еще пяти мощных турбореактивных двигателей, в частности, на нем проходили испытания
двигатели НК-144 ("Ф") и НК-144А ("ФА") для самолета Ту-144, НК-144-22 для самолета Ту-22М-0 и НК-22 ("ФМ") для самолетов Ту-22М-1 и Ту-22М-2.
На Ту-95ЛЛ опытный двигатель располагался в гондоле с воздухозаборником, находившейся в зоне грузоотсека и закрепленной на специальном подвижном механизме, который позволял во время наземных
работ опускать гондолу с двигателем в специальную яму для обслуживания. В случае аварийной ситуации в полете и необходимости сброса гондолы она переводилась в выпущенное положение, при этом с
помощью специального гильотинного устройства перерубались все коммуникации, связывающие двигатель с самолетными системами и гондола отделялась от Ту-95ЛЛ. На борту летающей лаборатории имелась
автономная топливная система испытываемого двигателя, связанная с основной топливной системой самолета. Управление испытуемым двигателем было также автономным. РУД-ы находились на пульте первого
пилота и на пульте первого экспериментатора. Контрольно-записывающая аппаратура обеспечивала замер 172-х параметров в 371-ой контрольной точке объекта испытаний.
Большой объем испытаний, проведенных на Ту-95ЛЛ в течение почти пятнадцати лет позволил выдать заключение на первые полеты многих опытных самолетов с маркой "Ту", а опытные турбореактивные
двигатели, проходившие испытания на ней, были приняты к серийной постройке. Удачные конструктивные решения, использовавшиеся на Ту-95ЛЛ, получили дальнейшее развитие на двигательных летающих
лабораториях, созданных на базе самолетов Ту-142 и Ту-142М.
В начале 70-х годов в связи с выработкой назначенного ресурса планера и под впечатлением катастрофы одной из летающих лабораторий типа Ту-16ЛЛ, в которой погиб экипаж во главе с
летчиком-испытателем Амет-Хан Султаном, Ту-95ЛЛ был списан. Его заменила летающая лаборатория на базе первого опытного самолета Ту-142 N 4200.