Продолжая работы по совершенствованию реактивного фронтового бомбардировщика в направлении повышения его ударной мощи, ОКБ С.В.Ильюшина в конце 1952 г. приступило к созданию нового околозвукового реактивного фронтового бомбардировщика Ил-54. Новый самолёт должен был иметь максимальную скорость полета М=1,15 и практическую дальность 2400-2750 км с бомбовым грузом 3000 кг. Для достижения сверхзвуковой скорости полёта требовалось установить на Ил-54 очень тонкое крыло со стреловидностью 55 по линии четвертей хорд. Расчетные и экспериментальные исследования, проведенные в ОКБ и ЦАГИ, позволили найти наиболее оптимальное сочетание геометрических размеров, массы и необходимой тяги двигателей самолёта Ил-54.

На базе выбранных основных параметров были разработаны две компоновочные схемы самолёта Ил-54. Первая схема, утвержденная С.В.Ильюшиным в конце марта 1953 г., предусматривала создание самолёта по схеме среднеплана с двумя двигателями ТРД-И, установленными в корневых частях крыла, и с горизонтальным оперением на верхней части киля. В дальнейшем от первой схемы отказались из-за того, что на расчетной скорости полёта возникало большое сопротивление гондол двигателей, установленных рядом с фюзеляжем. В ноябре 1953 г. была утверждена вторая компоновочная схема самолёта Ил-54 с двумя двигателями АЛ-7. Самолёт стали выполнять по схеме высокоплана с обычным горизонтальным оперением. Такое размещение двигателей уменьшало их сопротивление на больших околозвуковых скоростях полёта. И в то же время воздухозаборники двигателей располагались высоко над ВПП и при работе на земле двигатели не засасывали с ее поверхности посторонние предметы.

Экипаж самолёта Ил-54 размещался в двух герметизированных кабинах. Пилот и штурман находились в передней кабине и входили в самолёт через дверь на правом борту фюзеляжа, а стрелок-радист попадал в свою кабину через небольшой люк. Между кабинами пилота и штурмана имелся проход, позволявший им общаться друг с другом в полете. При аварийной ситуации пилот катапультировался вверх, а штурман и стрелок — вниз. В случае аварийной посадки на воду все члены экипажа могли покинуть самолет через верхние люки своих кабин и воспользоваться автоматически выбрасываемой спасательной лодкой  ЛАС-5М.

Конструкторы впервые в ОКБ применили на самолёте Ил-54 велосипедную схему шасси с далеко отстоящими друг от друга основными опорами со сдвоенными колесами на каждой опоре, это было обусловлено трудностями размещения больших колес в тонком крыле. Задняя опора шасси располагалась за бомбоотсеком на значительном удалении от центра масс самолёта. Вследствие этого на переднюю опору действовала большая сила, затруднявшая отрыв передней опоры от земли при взлете и выдерживание посадочного угла при пробеге после посадки, что могло привести к увеличению длины разбега и пробега самолёта. Для облегчения отрыва передней опоры от земли в конструкцию задней опоры шасси был включен специальный механизм, с помощью которого обеспечивалось укорачивание задней опоры во время разбега. Самолёт «приседал» на заднюю опору, угол атаки крыла увеличивался почти в два раза, и это позволяло значительно сократить длину разбега самолёта при взлёте.

Оборонительное вооружение самолёта Ил-54 состояло из трех пушек, обладавших большой скорострельностью и мощностью секундного залпа. Переднюю полусферу защищала неподвижная пушка., установленная по левому борту фюзеляжа. Две подвижные пушки устанавливались в кормовой дистанционно управляемой турели, боевые качества которой были значительно улучшены по сравнению с ранее применявшимися оборонительными установками. Масса максимального бомбового груза самолета Ил-54 5000 кг.

Вооружение и оборудование самолёта Ил-54 обеспечивали его эффективное применение во фронтовых условиях против боевой техники, живой силы и транспортных средств противника, позволяли использовать его для разрушения опорных пунктов и инженерных сооружений, расположенных на поле боя и в тактической глубине обороны противника при действии как в составе соединений, так и одиночными самолётами со всех высот при противодействии истребительной авиации и наземных средств противовоздушной обороны противника, в любых метеорологических условиях днем и ночью.

Самолёт Ил-54 можно было применять не только как бомбардировщик, но и в качестве торпедоносца высотного и низкого торпедометания, фоторазведчика и учебного самолёта. Самолёт-торпедоносец Ил-54Т отличался от основного варианта бомбардировщика увеличенной почти на 2 м длиной бомбового отсека и новой кабиной штурмана, отводы которой обеспечивали штурману хороший обзор вперед при низком торпедометании. В варианте фоторазведчика на самолёте устанавливали комплект специального оборудования, необходимого для выполнения поставленных перед самолётом задач.

Испытания первого опытного самолёта Ил-54 с двумя двигателями АЛ-7 начались 3 апреля 1955 г. Лётчик-испытатель В.К.Коккинаки отмечал хорошую устойчивость и управляемость самолёта в полете. Однако применение велосипедной схемы шасси несколько усложнило выполнение взлета и посадки. В 1955 г. был выпущен на лётные испытания второй опытный самолёт с двумя двигателями АЛ-7Ф. На второй машине для путевой устойчивости на нижней поверхности хвостовой части фюзеляжа были установлены два аэродинамических гребня. Лётные испытания самолёта прошли успешно, но в серию он все же не пошел, приоритет был отдан ракетному оружию.

Тактико-технические характеристики Ил-54
Размах крыльев, м   17.65
Длина, м   28.96
Высота, м   7.90
Площадь крыла, м2   84.60
Масса, кг
- пустого самолета   24000
- нормальная взлетная   40660
- максимальная взлетная   41600
Тип двигателя   2 ТРД АЛ-7Ф
Тяга, кгс
- нефорсированная   2 х 6500
- форсированная   2 х 10000
Скорость, км/ч
- максимальная на высоте   1250
- максимальная у земли   1155
- крейсерская   910
Дальность полета, км   3000
Разбег, м   1075
Пробег, м   1150
Практический потолок, м   14000
Экипаж, чел   3
Вооружение:   3 х 23 мм НР-23 или две 23-мм пушки ТКБ-4957 : для защиты передней полусферы одна неподвижная передняя пушка, установленная по левому борту фюзеляжа; в хвостовой части фюзеляжа самолета кормовая пушечная установка (Ил-К8) с дистанционным электрогидравлическим приводом двух подвижных пушек. Бомбовая нагрузка на внутренней подвеске: нормальная — 3000 кг, максимальная — 5000 кг.