В ходе отработки ракеты К-23 определились перспективы существенного повышения дальности пусков за счет применения более совершенной схемы полетного функционирования системы наведения. На К-23 была реализована схема захвата цели на траектории. Однако при характерных для самолетных РЛС значительных ошибках прицеливания, эта операция осуществлялась вскоре после старта ракеты. При этом дальность пуска ракеты незначительно превышала удаление от цели при захвате цели на сопровождение ГСН. В принципе, она могла бы производиться и позднее, но в этом случае требовалось обеспечить автономное управление ракетой на предшествующем участке полета. В этом случае дальность пуска представляла собой сумму протяженности автономного участка и предельной дальности захвата цели на самонаведении, определяемой при прочих равных условиях мощностью излучения бортовой РЛС носителя и чувствительностью ГСН ракеты.

Наряду с принятием на вооружение МиГ-23М с Р-23 Постановлением от 9 января 1974 г. предусматривалось дальнейшее совершенствование вооружения самолета, которое и осуществлялось на "Вымпеле" под руководством В.А. Пустовойтова. В 1975 г. выпустили эскизный проект усовершенствованного варианта ракеты - К-24, на которой нашла применение новая полуактивная ГСН с повышенной помехозащищенностью и дальностью захвата РГС-24 (9Б-1022). При этом для ракеты с полуактивной РЛГСН ("изделие 140") за счет реализации так называемого "псевдокинематического звена" с аналоговым вычислительным устройством продолжительность автономного полета увеличили до 10 с, что позволило вне зависимости от ошибок прицеливания поражать цели на удалении, на 30% превышающем предельную дальность захвата цели ГСН. В блоках аппаратуры ГСН производилось интегрирование перегрузок, что обеспечивало инерциальное управление на участке автономного полета, а после захвата цели на автосопровождение - фильтрацию при оценке угловой скорости. Впервые была обеспечена стрельба по зависающим вертолетам и избирательный обстрел цели, летящей в плотной группе. Повысилась возможность поражения маневрирующих и маловысотных целей, возросла защищенность от воздействия совмещенных и вынесенных помех.

Первоначальное намерение ограничиться созданием новой ГСН "Топаз-М" также не реализовалось. Для достижения максимальной эффективности применили новый взрыватель, более мощный двигатель, да и компоновка ракеты претерпела заметные изменения.

Наиболее заметным внешним отличием ракеты от предшественницы стало применение крыльев с обратной стреловидностью по задней кромке. Изменилась и внутренняя компоновка, число отсеков уменьшилось с 8 до 5. Первым отсеком традиционно являлась головка самонаведения. Во втором отсеке последовательно располагались радиовзрыватель "Скворец", автопилот и работающий от специального порохового аккумулятора давления турбогенератор. Стержневую боевую часть с радиусом поражения 10 м и предохранительно-исполнительный механизм переместили в третий отсек. Твердотопливный двигатель ПРД-287 образовывал четвертый отсек. В пятом отсеке вокруг удлиненного газохода сопла размещался блок газогенераторов, обеспечивающий питание рулевых машин.

Разработали и тепловой вариант ракеты ("изделие 160") с усовершенствованной головкой самонаведения ТГС-23Т4.

Ракета размещалась на доработанном пусковом устройстве - АПУ-23М

Проектирование ракеты и летные испытания провели в сжатые сроки, но последующие доводки затянули формальное принятие новой ракеты в качестве штатного вооружения самолетов МиГ-23МЛ и МиГ-23П до 1981 г.

Ракеты Р-24 успешно применялись с самолетов МиГ-23МЛ в ходе вооруженного конфликта в Южном Ливане в 1982 г. в ходе которого, по заявлениям сирийской стороны, этим истребителям удалось с "сухим счетом" сбить три F-15 и один F-4.

Позднее ракета была модернизирована - на Р-24М была повышена помехозащищенность ГСН.

Важным событием, связанным с историей создания и эксплуатации ракет семейства Р-23/Р-24, стала ускоренная разработка нового радиоэлектронного и ракетного вооружения для самолетов типа МиГ-25 после известного эпизода с посадкой летчика Беленко в Японии. Как известно, сверхскоростные перехватчики ПВО были вскоре переоснащены на РЛС "Сапфир-25" (РП-25), созданную на базе "Сапфир-23", а также перевооружены ракетами Р-40Д с радиолокационной головкой самонаведения РГС-25, унифицированной с РГС-24

В целом, разработка ракеты К-24 стала заметной вехой в истории отечественного ракетостроения. За счет реализации оригинальной схемы функционирования впервые удалось достичь превосходства по максимальной дальности над американскими аналогами применительно к вооружению самолетов фронтовой авиации.