Хотя испытания новых ракет и их носителей шли не просто, были проблемы с кадрами и средствами на проект на предприятиях-участниках, уже в начале 2000-х гг. опытные самолёты с ракетами Х-101 впервые были привлечены к войсковым учениям частей Дальней Авиации России. К началу 2010-х гг. началась подготовка серийного производства ракет в обеих модификациях на серийном заводе в г. Дубна и пошла доработка носителей на ремзаводах МО РФ, а в 2013 г. комплекс был принят на вооружение, и началась его строевая эксплуатация.
Появление у России новых стратегических крылатых ракет Х-101/102 и их носителей Ту-95МСМ и Ту-160М окончательно лишило ВВС США превосходства в этой области — из-за низких ТТХ и обилия дефектов американцам пришлось снять с вооружения ракеты аналогичного класса AGM-129A и продолжить эксплуатацию устаревших AGM-86 ALCM выпуска 80-х гг. прошлого века, нет у них и самолёта, сравнимого с Ту-160.
Между тем, высокие боевые качества, точность и эффективность ракет Х-101 с неядерными БЧ подтвердили боевые действия в Сирии. По просьбе правительства этой страны в рамках оказания помощи в борьбе с террористическими группировками 17 октября 2015 г. первый удар такими ракетами нанесли самолёты Ту-160М ВКС РФ, а с 5 июля 2017 г. к их боевому применению подключились и турбовинтовые Ту-95МСМ. Их точные и мощные удары сорвали планы международных террористов по организации «Исламского государства».
Система наведения — автокорреляционная по рельефу и оптическая
Двигатель — ТРДД РД95ТМ-300
БЧ — термоядерная, масса 400 кг
Дальность — 3000/5500 км
Скорость — 685–720/900-970 км/ч
Высота полёта — 30–70/10000 м
Масса стартовая — 2400 кг
Масса топлива — 1250 кг
Длина — 7,45 м
Ширина корпуса — 0,742 м
Размах крыла — 3,0 м
ЭПР — 0,01 м2.