Исходя из результатов испытаний Ил-78 и пожеланий об увеличении дальности полета, а также количества передаваемого топлива в ОКБ Ильюшина приняли решение о создании версии самолета Ил-78М.
Официально работы начались 20 декабря 1984 г. Конструкторы решили отказаться от возможности конвертации в транспортный самолет, т.к. эксплуатация танкера показала, что такой необходимости просто нет. Поэтому самолет лишился десантно-транспортного оборудования (отсутствовали даже лебедки) и левой боковой двери, кабину выполнили негерметичной, створки грузолюка и гермоперегородка отсутствуют - это дало выигрыш в 5 т веса. В грузовой кабине Ил-78М установили баки общей вместимостью 36 т, что на 8 т больше, чем у первоначальной версии.
Ил-78М (СССР-76701) впервые поднялся в воздух 7 марта 1987 г. Машина прошла краткосрочные госиспытания и Постановлением ЦК КПСС и СМ СССР от 1 июня 1987 г. принята на вооружение вместе с основной версией - Ил-78.
Максимальная взлетная масса для Ил-78М установлена в 210 т, что стало рекордом для семейства Ил-76. Общая масса находящегося на борту топлива достигает 126 т, из которых при удалении района дозаправки от аэродрома вылета 600-650 км можно было передать 92-94 т.