На МиГ-23БК устанавливалась новая РСБН «Коралл-И», а позднее и система дальней навигации (РСДН) А-720 «СКИП-2», радиостанции Р-832М «Эвкалипт-СМУ» и Р-864Б, радиокомпас АРК-19М «Оленёк» и радиовысотомер РВ-15 (А-031) «Репер-М». Ответчик СРО-2М в ходе серийного выпуска уступил место новому СРО-1П системы «Пароль-2Д», а станция Р-832М — более совершенной Р-862. Бортовой регистратор параметров полёта САРПП-12ГМ заменили на бортовую записывающую аппаратуру «Тестер-УЗ». Датчик угла скольжения ДУС-3М под носовой частью фюзеляжа сняли как недостаточно надёжный, а его функции стал выполнять ДИСС-7, дававший лучшую точность измерения.
В связи с установкой новых систем и аппаратуры, перекомпоновали размещение приборов и оборудование в кабине лётчика. Ряд из них был заменён на более совершенные. Так, вместо УАП-1А на приборной доске установили комбинированный указатель углов атаки и перегрузок УАП-4, новый навигационно-плановый прибор ПНП-72-6М (взамен НПП), индикатор станции «Берёза», изменили размещение некоторых приборов и пультов управления. Самолёт комплектовался системой автоматического управления САУ-23БИ, инерциальной курсовертикалью ИКВ-8 и системой управления вооружением СУВ-2-26.
Для повышения безопасности и обеспечения надёжности пилотирования на околокритических углах атаки на самолёте была внедрена активная система ограничения углов атаки, активно воздействовавшая на управление машиной. Ручку управления оснастили ограничителем хода с толкателем, который препятствовал выводу самолёта на опасные углы. При энергичном взятии ручки на себя шток толкателя отправлял её вперед, причём скорость его хода зависела от темпа задирания носа, исключая возможность динамического заброса на больший угол.
Массивная «Кайра» (моноблок 11С1 весил 143 кг), новые системы и вооружение заставили изыскивать пути экономии массы. В жертву ей были принесены бронеплиты, прикрывавшие кабину лётчика. Заказчик возражал против ослабления защиты, однако убедительным доводом стала достигнутая возможность наносить удары с большей, чем раньше, дистанции, оставаясь за пределами досягаемости стрелкового оружия и ПЗРК. Всё же возросшую массу оборудования полностью компенсировать не удалось, масса пустого самолёта увеличилась почти на тонну и достигла 11 860 кг. Нормальная взлётная масса с одной тонной бомб составила 17 880 кг, и лётчики жаловались на трудность руления на «Кайре», неохотно поворачивавшей даже на бетонке. Позднее боевой опыт применения истребителей-бомбардировщиков различных типов на Ближнем Востоке и в Афганистане заставил пересмотреть вопрос о защите лётчика. В ходе доработки по бюллетеню, начавшейся в 1988 г. и проводившейся прямо в полках, МиГ-27К всё же получил боковые бронеплиты кабины.
Значительно усилилось и пополнилось управляемое вооружение, для которого, в принципе, и создавалась эта модификация. При этом многие типы боеприпасов, в свою очередь, разрабатывались под конкретный самолёт. После долгого перерыва с середины 1950-х гг., когда в связи с «ракетным бумом» все работы над управляемыми бомбами были свёрнуты, в Государственном научно-производственном предприятии «Регион» под руководством Н. Привалова возобновилась разработка корректируемых авиабомб. «Первой ласточкой» стала КАБ-500Л, изначально предназначенная для вооружения МиГ-23БК. При собственной массе в 534 кг она имела мощную фугасную боевую часть массой 360 кг (от термостойкой авиабомбы ФАБ-500Т) и предназначалась для поражения малоразмерных неподвижных и подвижных целей в условиях визуальной видимости. Наведение бомбы на цель осуществлялось по отражённому излучению с помощью системы лазерного целеуказания. В лазерную полуактивную флюгерную головку самонаведения типа 27Н входили флюгерный насадок с оптическим координатором цели, закреплённый на карданном подвесе на штанге головки, и электронно-вычислительное устройство, расположенное в конической части корпуса бомбы. Приёмное устройство координатора цели включалось после сброса бомбы, начиная отслеживать цель по отражённому от неё лазерному излучению, а блок управления и автопилот направляли бомбу. Дальность захвата цели — 3,5–6 км при метеорологической видимости 10 км. В ходе испытаний было достигнуто круговое вероятное отклонение 5–6 м. Сброс бомб мог выполняться как одиночно, так и залпом.
Работы, начавшиеся в 1972 г., уже через три года успешно завершились передачей изделия в серийное производство, и с 1976 г. КАБ-500Л стала поступать на вооружение, а вскоре за ней — и КАБ-500Л-К с кассетной боевой частью, снаряжённой кумулятивными боевыми элементами, предназначавшимися для поражения бронированных целей.
Позднее арсенал машины пополнили и новые КАБ-500Кр и КАБ-500ОД, оснащённые телевизионно-корреляционной ГСН в вариантах с проникающей или термобарической (объёмно-детонирующей) боевой частью. Эти бомбы создавались в «Регионе» под руководством Б. Е. Мерцалова. Телевизионная гиростабилизированная головка самонаведения с корреляционным алгоритмом обработки информации о цели состояла из оптико-электронной части, установленной на трёхстепенной гиростабилизированной платформе, и электронного блока обработки информации, расположенных в едином корпусе. Головка обеспечивала наведение бомбы на цель при освещённости от полумрака до ясного дня и контрасте ориентиров на местности 0,2. Дальность захвата цели типа самолёта на стоянке при метеорологической видимости 10 км — 5–9 км. Бомбы КАБ-500Кр применялись для поражения неподвижных объектов и могли сбрасываться только одиночно с горизонтального полёта или пикирования в диапазоне высот 500 — 5000 м. После обнаружения цели визуально и целеуказания включалась ТВГСН бомбы и изображение, получаемое с её телевизионной системы, выводилось на экран ИТ-23М. После «привязки» к объекту атаки электронного перекрестия, ТВГСН запоминала положение цели, «цепляясь» к хорошо заметным ориентирам (не менее трёх) и переходила в режим автосопровождения. После сброса бомба шла к цели без дальнейшего управления с носителя, полностью реализуя принцип «выстрелил и забыл». Круговое вероятное отклонение бомб составляло 4–5 м.
Применение корректируемых авиабомб могло выполняться в режимах «ПКС» или «АКС». В последнем случае обеспечивалась более высокая вероятность поражения цели при условии, чтобы местность была не однотонной и достаточно хорошо освещённой.
Помимо КАБ, арсенал самолёта пополнили новые типы управляемых ракет. Бомбы, обладая точностью, не могли обеспечить дальности нанесения удара, что позволило бы выполнять атаку вне досягаемости средств ПВО. В состав вооружения машины, помимо использовавшейся ранее Х-23М, вошли ракеты Х-25, Х-29Л и Х-29Т. Аппаратура радиокомандного управления Х-23М была снята с самолёта и размещена в подвесном контейнере «Дельта-НГ2». Это позволило сэкономить 65 кг массы, высвободить компоновочные объёмы и более гибко использовать вооружение, не возя постоянно, а лишь при необходимости, используемое оборудование.
Ракета Х-25 с полуактивной лазерной системой наведения создавалась в ОКБ «Звезда» на базе конструкции Х-23, оснащённой лазерной ГСН типа 24Н1 разработки ЦКБ «Геофизика». Первые испытания Х-25 прошли зимой 1973 г. на специально переоборудованных самолётах Су-7БМ и Су-17М, однако их итоги сочли неудовлетворительными по точности. В государственных испытаниях Х-25 принимали участие третий и четвёртый опытные образцы МиГ-23Б («32–24/3» и «32–24/4»), оснащённые станцией подсвета цели СП-14С «Прожектор-1», представлявшей собой подвесной контейнер с оптическим квантовым генератором и обслуживающими его системами. Позднее испытания продолжили на МиГ-23БК, где они показали положительные результаты. При дальностях пуска 3–7 км круговое вероятное отклонение Х-25 составляло 3–3,5 м. «Кайра» могла нести до четырёх управляемых ракет Х-25.
В дальнейшем на МиГ-23БК были опробованы тяжёлые ракеты Х-29, предназначенные для поражения укреплённых и особо прочных сооружений (ВПП, укрытий, плотин и тоннелей). Эти ракеты оснащались мощной проникающей осколочно-фугасной боевой частью массой 320 кг. Х-29 разрабатывалась в МКБ «Молния» в двух исполнениях, различавшихся используемой ГСН — лазерной 24Н1 на Х-29Л и телевизионной «Тубус-2», созданной ленинградским НПО «Импульс» для Х-29Т и обеспечивающей захват только оптически контрастных целей, выделяющихся на фоне местности.
На «Кайре» ракеты Х-29Т наводились на объект поражения в режимах программно-корректируемого слежения (ПКС) или автономной коррекции (АК). Обнаружив цель и наложив на неё марку на прицельно-пилотажном индикаторе, лётчик осуществлял целеуказание ГСН ракеты и измерял с помощью лазерного дальномера дальность до цели. Затем по экрану ИТ-23М он уточнял прицеливание, приводя изображение цели в центр перекрестия. Для более точного совмещения изображения цели с перекрестием лётчик мог переключаться с широкого поля зрения ТВГСН ракеты, служащего в основном для обзора местности, на узкое при наведении, обеспечивавшее шестикратное увеличение изображения объекта атаки. При его удержании на цели проводилась яркостная и пространственная селекция видеосигнала с ТВГСН ракеты, после чего она переходила в режим автосопровождения цели. После пуска Х-29Т в режиме «ПКС» ракета шла к цели самостоятельно, выполняя «горку» с максимальным превышением над носителем в 2500 м и обрушивалась на атакуемое сооружение сверху. Ракета могла использоваться только в дневное время, по контрастным объектам и в хорошую погоду, когда наведению не мешали туман и дымка. При наличии облачности для того, чтобы ГСН ракеты после отделения «изделия» от носителя не потеряла цель, уйдя в облака, пуск производился с отключенным режимом «горка» — ракета сразу начинала пикировать на цель. При пуске в режиме «АК» функция «горка» отключалась автоматически. К достоинствам ракеты Х-29Т относились полная автономность наведения, защищённость от помех и исключительная точность — при дальности пуска 8 — 12 км она составляла 3–4 м. После отделения Х-29Т лётчик был свободен в манёвре и мог осуществить выход из атаки.