В связи с запуском в серийное производство Як-27Р внимание военных к созданию нового скоростного разведывательного самолета несколько ослабло. Это позволило КБ Яковлева сосредоточиться прежде всего на проектировании бомбардировщика и несколько позднее заняться разработкой разведчика. Постановление ЦК КПСС и Совета Министров СССР, уточняющее задание КБ Яковлева по разработке и постройке фронтового разведчика Як-28Р, вышло 27 ноября 1961 г. Самолет предназначался для замены Як-27Р и Ил-28Р.

ОКБ-115 закончило проектирование новой модификации в 1962 г., а постройку опытной машины - в 1963 г. Самолет строили на базе Як-28И, выполняя значительные конструктивные изменения. На машине применили новый фонарь кабины летчика - увеличенный по высоте и с клиновидным козырьком. Для улучшения обзора из кабины штурмана увеличили площадь остекления носовой части фюзеляжа, причем вместо обычного нижнего стекла установили специальное оптическое. Фонарь кабины стыковался с фюзеляжем по наклонному шпангоуту. Фюзеляж перекомпоновали. Емкость топливных баков увеличили на 550 л. Вместо бомбоотсека оборудовали три отсека для пяти сменных вариантов разведывательного оборудования. Первый включал комплект аэрофотоаппаратов АФА-54 в автоматических качающихся установках и АФА-42/20 для дневной съемки с малых высот. Второй - щелевые фотоаппараты АЩАФА-8 и АФА-42/20. Третий - установку ТАУ-М с АФА-41/10 для топографической съемки с больших и средних высот. Четвертый - аппарат НАФА-Я7 с импульсноосветительной установкой СОУ-2 для ночной аэрофотосъемки. Пятый - станцию "Ромб-4А" для общей радиотехнической разведки с дальностью действия 365 км при полете на высоте 10 км (на высоте 4 км - 250 км) и максимальным сектором обзора +50°.

Опытный Як-28Р оснастили двигателями Р-11АФ2-300 и модифицированной под задачи разведчика РЛС "Инициатива-2P". Заводские испытания проводили летчик В.П.Смирнов, штурман Н.И.Самоходкин и ведущий инженер С.В.Фофанов. 7 марта 1963 г. машину передали на совместные госиспытания, но начались они лишь 7 июля и закончились 22 августа (ведущий летчик-испытатель п/п-к В.М.Комов, ведущий штурман-испытатель п/п-к В.Т.Марфуненков).

Первые серийные машины сошли со стапелей Иркутского завода в январе 1966 г. Однако летные испытания головного самолета начались лишь 1 декабря и продлились до 30 октября 1967 г. В полетах на высотах от 3 до 14 км со скоростями 600-1550 км/ч были сняты аэрофильмы, проверена и положительно оценена работа аппаратуры во всех пяти вариантах оборудования. Повторные контрольные испытания головной серийной машины, проводившиеся в 1968 г., подтвердили характеристики разведчика. Первоначально устанавливаемую на серийных самолетах станцию "Инициатива-2P" в процессе производства заменили на "Инициатива-3", разработанную специально для этого варианта. Производство Як-28Р (изделия "28Р") продолжалось до 1970 г. Было выпущено 183 машины в различных вариантах. Самолет оказался наиболее удачным представителем этого семейства.

С начала апреля по 30 октября 1969 г. проводились контрольные испытания доработанного серийного самолета Як-28Р №8961302. Машина отличалась установкой воздушной системы управления конусами воздухозаборников и рядом других усовершенствований. Во время испытаний выполнили 65 полетов с общим налетом 79 ч.

На базе разведчика создали опытную модификацию Як-28РЛ, а также Як-28СР и Як-28ПП, строившиеся серийно. Як-28СР отличался от Як-28Р наличием станции активных помех СПС-141 (или СПС-143). С 15 августа по 30 сентября 1970г. проводились совместные госиспытания опытного самолета, построенного путем доработки серийного Як-28Р №9961309. За это время на машине выполнили 51 полет с общим налетом 80 ч. С 5 июля по 23 августа 1971 г. на аэродроме ГК НИИ ВВС в Ахтубинске этот же самолет проходил дополнительные специальные летные испытания с целью определения характеристик дальности и температурных условий в кабине пилота (ведущий летчик С.Н.Смирнов), т.к. помеховая станция при работе излучала значительное количество тепла. Дальность полета машины не отличалась от дальности прошедшего ранее контрольные испытания разведчика Як-28Р №9961302. Количество выпущенных Як-28СР (изделие "28СР") было значительно меньшим, чем Як-28Р.

С 28 декабря 1966 г. по 6 февраля 1967 г. проводились заводские испытания самолета Як-28Р №6960305, оснащенного телевизионной аппаратурой воздушной разведки ТАРК-1 (телевизионный авиационный разведывательный комплекс). Передающая часть комплекса размещалась на разведчике, а приемная - на командном пункте. Одновременно с передачей телевизионного изображения на командный пункт могла производиться фотосъемка на пленку шириной 190 мм. Станцию "Инициатива-2Р" сняли, а под текстолитовым обтекателем расположили передающую антенну аппаратуры ТАРК-1. 6 апреля самолет передали на войсковые испытания, проходившие с 1 сентября по 15 декабря 1967 г. В итоге комплекс приняли на вооружение, и он устанавливался на некоторых разведчиках Як-28Р.

На некоторые Як-28Р ставилось специальное оборудование для ведения радиационной разведки. Эти самолеты обозначались как Як-28РР (изделие "28РР"). Заводские испытания проводили летчик А.Л.Колосов и штурман Н.М.Шиповский. Созданные в 1964 г. для Як-28РР фильтрогондолы были впоследствии унифицированы и устанавливались на других типах разведчиков.