二战后英国装备了堪培拉中型轰炸机，这种飞机在当时属于先进装备，航程、载弹量等适中，被包括美国在内的多国*队军**使用，不过这款轰炸机并没有风光太久，因为50年代防空导弹走向成熟，超音速突防成为新的技术方向。
英国空军在1956年提出替换堪培拉轰炸机的想法，并提出了GOR.339规划，想要设计建造一款可以在任何天气条件下，在高、低空域以高速度飞行，进行远距离战术核打击、侦察的飞行载具，它还应该具备*战野**机场起降能力。空军参谋部在1959年公开了新的轰炸机发展项目，它被命名为TSR-2。
TSR-2外形简洁流畅，看起来有点像是一款超音速截击机，而非超音速轰炸机，主要结构由航空铝合金制成，部分零件采用铝锂合金和钛合金。
飞机的机翼采用前缘后掠60°的上单翼，翼展较小，翼尖部分向下弯折起到横向稳定的作用，机翼上没有副翼，后缘安装吹气襟翼供飞机起降或低速飞行时提高升力。机翼内部是一个整体式的油箱，因为飞机需要以2倍音速飞行，因此机翼被设计得很薄，以降低飞行阻力，不过也造成燃油携带量减少，降低了飞机的作战航程。机头左侧位置可以安装受油探头，提升作战航程。
发动机使用两台劳斯莱斯奥林巴斯喷气发动机，进气口位于机体两侧翼根靠前一点的位置，呈半圆形，带有可移动的半锥性激波扩散器。发动机是火神轰炸机使用版本的升级版，配备加力燃烧室，预计发动机成熟后可以输出146.8KN的加力推力。
水平尾翼呈现三角形，水平位置低于主翼，它和垂尾一样都是全动模式。机身后段还有4具大型空气制动器，可以有效降低降落滑跑距离。
起落架为前三点式，前起落架采用并排双轮，主起落架为前后双轮，起落架高度较高，轮胎采用低压无内胎轮胎，可以在简易机场上起降。
飞机设置有一个内置弹舱，可以携带2720千克重的载荷，可以是常规航弹，也可以是*弹核**，机翼下还有4个外挂点，可以挂载1800千克。在核打击方面，最初内置弹舱计划携带一枚“红胡子”*弹核**，最终的设计将改为2枚空投型WE.177*弹核**，机翼下还可以挂载另外2枚。常规*器武**方面，除了*爆高**弹和火箭弹之外，还考虑携带电视制导*弹炸**，也考虑过挂载加油包充当临时加油机。
飞机驾驶室内乘坐飞行员和领航员，正面挡风玻璃特意加厚，以防止在低空高速飞行时撞上鸟类造成伤害，同时为了防止*弹核**爆炸“闪瞎”机组的眼睛，和覆盖了一层金属膜。两人都有“零零弹射座椅”，可在2马赫或者17000米高度进行弹射，领航员座椅可以单独弹射，飞行员启动弹射座椅的时候则会先将领航员弹射出去避免碰撞。
机载系统是TSR-2的“死穴”，因为这种系统的开发相当费钱，而英国当时的经济状况显然不富裕，哪怕技术上没有问题，但是英国没有其他同类飞机可以分摊研发成本，这一点遭到反对派的猛烈攻击，最后购买了美国的自动驾驶系统等，哪怕这样也严重超出预算。
TSR.2的前部机身两侧还有胶片相机，它们可以拍照评估*弹核**爆炸效果，也可以简单地执行侦察拍照任务，在执行专门的侦察任务时需要安装侧视雷达系统。
原型机在1964年时进行了大量的试飞，此时的轰炸机还有很多电子设备没有安装，不过飞行表现很好，在没有打开加力燃烧室的时候就实现了超音速飞行，在高速飞行时，伴飞的闪电战斗机需要打开两台发动机加力燃烧室才能追上，要知道闪电战斗机最大飞行速度将近2.3马赫。
测试中也发现一些问题，例如飞机起落架震动、航程不足等，并且空军预计的2马赫飞行速度没有达到（可能是挂载*器武**的作战条件下），后来稍微降低了一些要求，作战半径改为1200千米，最大飞行速度降低到1.75马赫。
不管设计团队这边如何努力，英国在不久后还是放弃了TSR-2轰炸机，原因就是没钱，反对派牢牢抓住飞机研发和制作成本高的缺点展开猛攻，将TSR-2变成了派别斗争的牺牲品，随后英国购买了美国的F-111替代TSR-2。
TSR-2轰炸机空重约25000千克，最大起飞重量约47000千克，机长27米，高7.24米，翼展11.33米，机翼面积65.3平方米，在40,000 英尺（12,192 米）高度飞行时最大速度2.15 马赫，作战半径1390千米。