Кроме описанных выше массовых вариантов Ил-76 были созданы и другие модификации, построенные в единичных вариантах, значение их не менее важно значений воздушных грузовиков. Так, при подготовке первых космонавтов столкнулись с проблемой адаптации человека к условиям невесомости. Первые опыты в этом направлении проводились на самолете УТИ-МиГ-15, но кроме ощущений необычного состояния организма, это ничего не давало. Впоследствии для этих целей переоборудовали самолеты Ту-104, но и их возможности, как по длительности создания условий невесомости, так и по размерам пилотируемых космических аппаратов, размещавшихся в его «салоне», оставляли желать лучшего. На смену Ту-104 пришел сначала Ил-76К. Решение о его создании было принято в июле 1972 года, а первый его экземпляр впервые взлетел 2 августа 1981 года.
В отличие от предшественника стенки, пол и потолок грузовой кабины Ил-76К обили мягкими матами и вдоль бортов разместили поручни.
Для создания невесомости самолет сначала разгоняется в пологом пикировании до скорости 620 км/ч по прибору, а затем переводится в набор высоты. На высоте около 7200 м двигатели переводятся на режим малого газа, и самолет, летя по параболе Кеплера, попадает в область отсутствия силы тяжести. По сравнению с Ту-104 продолжительность невесомости возросла почти на 5 секунд, а количество «горок» – с 5 до 15.
Впоследствии на смену Ил-76К пришел Ил-76МДК, государственные испытания которого провел экипаж ведущего летчика А. Андронова. Три таких самолета до недавнего времени находились в авиационном полку им. В.С. Серегина. На самолетах устанавливаются двигатели Д-30КП-Л, оснащенные адаптированной к условиям невесомости масляной системой.
23 июля 1983 года экипаж летчика-испытателя В.С. Белоусова выполнил первый полет на Ил-76 «Скальпель». Самолет – летающая операционная – успешно работал в Афганистане и Чечне.
В декабре 1984 года взлетел построенный на ТАПОиЧ поисково-спасательный Ил-76ПС СССР-76621 (командир экипажа – Ю.В. Мазанов). Самолет мог транспортировать и десантировать на парашютах катер «Гагара» массой 8500 кг. На его создание с момента принятия решения ушло свыше 12 лет, но Ил-76ПС так и остался в единственном экземпляре. Известен также Ил-76 в варианте постановщика помех.