Самолёт не имел особых преимуществ по сравнению с Як-26, бомбардировочной модификации перехватчика Як-25, выпуск которого к 1955 году был налажен. Поэтому, несмотря на оригинальные технические решения и хорошие ЛТХ, самолёт не был принят на вооружение. Так же, по мнению некоторых исследователей, сыграла и позиция руководства ВВС и МАП, в условиях ракетно-ядерной гонки не уделявших особого внимания конвенциональному оружию.
Тем не менее, самолёт демонстрировался делегации атташе США в 1956 году как «прототип бомбардировщика Як-140» (по некоторым данным, самолёт демонстрировался как Як-149). Рисунок самолёта был опубликован в 1959 году в журнале Flieger, и бомбардировщик получил кодовое обозначение НАТО Blowlamp.
Ил-54 является последним пилотируемым бомбардировщиком, созданным ОКБ Ильюшина.