图-91第一架原型机由第156工厂制造，1954年4月完工下线，送往朱可夫斯基试飞中心试飞。图波列夫设计局派出了多名资深工程师组成的试飞组。试飞由苏联英雄迪米特里·柳辛担任飞行员，马卡扬任领航员。经过一系列地面测试，1954年11月2日，图-91首飞成功。从设计到首飞，图-91的工作非常顺利，几乎没有任何问题出现。
图-91的全金属机身广泛采用了铝合金和少量镁合金，坚固而宽敞。起落架为前三点布局。巨大的机头安装了AV-44共轴反转螺旋桨。螺旋桨轴长而突出，像一个尖鼻子。桨叶分为两组，各有三个叶片，旋翼直径4.4米。螺旋桨轴侧下方有三个发动机进气口，进气道在座舱下方汇为一股与发动机连接。巨大的机身和机翼共有6个软油箱，可容纳3410千克T-1航空煤油。
