Równolegle z rozpoczęciem produkcji opracowywano modernizację konstrukcji. Skorzystano z doświadczeń amerykańskich zdobytych podczas wojny wietnamskiej – zapożyczono od Amerykanów koncepcję maszyny szturmowej wyposażonej w kabinę pilotów w układzie tandem, tworząc modernizację Mi-24D. Oprócz tego zastosowano nową ruchomą wieżyczkę z karabinem maszynowym i poczyniono zmiany w konstrukcji kadłuba. Kolejne modernizacje obejmowały głównie zmiany w uzbrojeniu i wyposażeniu. Tak powstały między innymi maszyny Mi-24W, Mi-24P i Mi-24WP.
Na bazie śmigłowców Mi-24 i Mi-24D zbudowano także maszyny oznaczone jako A-10, przeznaczone specjalnie do bicia rekordów prędkości i czasów wznoszenia. Na takich śmigłowcach w latach 1975–1978 załogi żeńskie i męskie ustanowiły wiele rekordów, między innymi absolutny rekord prędkości wynoszący 368,4 kilometra na godzinę (Gurgen Karapetian, 21 września 1978 roku).