Созданием тяжелого скоростного высотного бомбардировщика в СССР и США занялись примерно одновременно. Созданный на фирме Boeing B-17 активно применяли во второй мировой войне американцы и англичане. У нас же над самолетом аналогичного назначения ТБ-7 (АНТ-42) работала под руководством авиаконструктора Туполева бригада Петлякова. Однако в конце тридцатых годов руководством страны и ВВС был сделан ошибочный вывод, что в грядущей схватке с фашизмом стратегическая авиация не нужна. Вместо ТБ-7 началось производство фронтовых бомбардировщиков, а Туполева и Петлякова вскоре арестовали.

Нагрянувшая война быстро поставила все на свои места. Пришлось в тяжелейших условиях наверстывать упущенное и строить ТБ-7, переименованный после гибели Петлякова в Пе-8. В 1943 году встал вопрос о разработке авиационного носителя под создаваемую атомную бомбу. Туполеву предписывалось разработать эскизный проект тяжелого высотного четырехмоторного бомбардировщика с герметичными кабинами и пушечной защитой. Проектирование новой машины, получившей в ОКБ обозначение самолет "64" (Ту-64), началось в мае 1944 года.

Шла война и все силы авиационной промышленности были направлены на обеспечение массового выпуска серийных боевых самолетов. Но несмотря на все сложности в августе 1944 года был готов эскизный проект, согласно которому самолет "64" представлял собой тяжелый четырехмоторный бомбардировщик, предназначенный для проведения дневных операций в глубоком тылу противника. Большие скорости и высоты полета, мощное оборонительное пушечное вооружение обеспечивали возможность действий самолета "64" в зонах с самой сильной ПВО противника. Самолет мог нести бомбовую нагрузку до 18000кг, при калибре бомб до 5000кг. Бомбы размещались в двух емких отсеках: перед центропланом и за ним. Наличие герметических кабин экипажа позволяло самолету совершать полеты на высотах до 8000-10000м.

Конструктивно самолет представлял собой цельнометаллический моноплан со среднерасположенным крылом и двухкилевым хвостовым оперением и трехстоечным шасси. Экипаж состоял из 8-9 человек, располагавшихся в двух герметичных и одной негерметичной кабинах. Для защиты от атак истребителей противника была создана мощная система стрелково-пушечного вооружения, обеспечивающая полный круговой обстрел. Пушки располагались в четырех дистанционно управляемых башнях и хвостовой установке. Кормовая установка использовалась как дополнительная огневая точка при полетах на малых высотах, на большой же высоте кормовой стрелок переходил в среднюю герметичную кабину.

Был построен макет самолета и началась сборка стапелей для первого экземпляра самолета Ту-64. Но необходимость в дальнем бомбардировщика была настолько большой, что было принято решение прекратить разработку собственного самолета, а скопировать американский B-29, четыре экземпляра которого были интернированы СССР на Дальнем Востоке после их вынужденной посадки на нашей территории.

В июне 1947 года бомбардировщик Б-4 вышел на испытания. Не стали делать даже опытных образцов, а сразу заложили серию из 20 машин. Появление второго, а затем третьего самолетов позволило форсировать программу испытаний.

На первых трех Б-4 по образу и подобию В-29 смонтировали 11 пулеметов УБК-12,7. Но пулеметы уже не могли быть надежной защитой и вместо них установили 10 пушек Б-20Э попарно в пяти установках. Больше всего неприятностей преподносила силовая установка, которая была беспрецендентно сложной.

В 1948 году самолету было официально присвоено наименование Ту-4. Полки, получившие Ту-4, переименовывались в тяжелобомбардировочные. Перед ними ставилась задача уничтожения важнейших военных и промышленных объектов на территории противника, нанесение массированных ударов по политическим и экономическим центрам и непосредственно по войскам неприятеля. Ту-4 мог нести тяжелые бомбы ФАБ-3000 и ФАБ-1500, химические боеприпасы, но главным оружием должна была стать атомная бомба, разработка которой завершалась. Автоматический прицел ОПБ-18 позволял осуществлять бомбометание на любой скорости и высоте, а бортовой локатор "Кобальт" сделал возможным бомбометание в плохую погоду и ночью с высот от 3000 метров до потолка. Большинство приборов и оборудования было размещено удобно и легкодоступно. Гермокабины обеспечивали невиданный ранее комфорт, а в их комплектацию входили даже термосы для горячей пищи и спальные места для членов экипажа.

Обилие сложного оборудования создавало свои трудности. Нелегко приходилось и техникам, обслуживавшим самолет и двигатели. Служба самолетов Ту-4 была омрачена серией катастроф, вызванных поломкой моторов. Практически сразу же после начала серийной постройки в конструкцию Ту-4 начали вносить доработки, улучшающие его боевую эффективность и эксплуатационную пригодность. В комплект оборудования был включен навигационный координатор НК-46Б. Это было ламповое счетно-решающее устройство, первый в СССР бортовой компьютер, позволявший производить счисление пройденного пути и непрерывно определять координаты. Вместо 20-мм пушек установили 23-мм НР-23.

Кроме основного бомбардировочного варианта, Ту-4 выпускался в варианте стратегического разведчика Ту-4Р. Для увеличения продолжительности полета до 25 часов на Ту-4Р в переднем бомболюке устанавливался дополнительный бензобак, а фотооборудование размещалось в заднем бомбоотсеке. В герметизированной кабине экипажа и бытовом отсеке было комфортно и тепло. Имелось оборудование для приготовления горячей пищи, условия для отдыха тех, кто свободен от вахты. Четыре самолета были переданы в авиацию Главсевморпути и использовались для дальней ледовой разведки и, в частности, для выбора льдин для организации передовых ледовых аэродромов ВВС.

Первая советская атомная бомба РДС-1, хотя и была 29 августа 1949 года взорвана на башне, была уже в принципе пригодной для сброса с самолета. Самолеты, доработанные под новое оружие получили индекс Ту-4А. На этих самолетах установили систему взведения заряда и специальный бомбодержатель. Начали с большой серии сбросов макетных бомб. Отрабатывались конструкции парашюта, оперения, радиовысотомеров, по сигналу которых бомба должна была взорваться на определенной высоте.

В сентябре 1951 года был произведен "башенный" взрыв РДС-2, а через месяц экипаж Ту-4А под командованием полковника Уржунцева сбросил на полигоне в районе Семипалатинска бомбу "Мария" с зарядом РДС-3. Первой серийной ядерной боевой частью стал унифицированный 30-килотонный заряд РДС-4, предназначенный для ракет и свободнопадающих бомб. Он стал основой для бомбы "Татьяна", поступившей на вооружение дальней и фронтовой авиации. Внешне она была похожа на обычную "фугаску" весом 1200кг.

Весной 1954 года в Оренбургской области был сооружен полигон, главным объектом стала точная копия опорного пункта батальона армии США. Планировалось сбросить на него бомбу, затем подвергнуть штурмовому авианалету и в конце атаковать силами мотопехотного полка. Результаты сбросов баллистического макета "Татьяны" с Ту-16 были неудовлетворительными - промахи доходили до 700 метров. Тогда для сброса атомной бомбы решили использовать Ту-4, дававший более высокую точность бомбометания.

В сентябре 1954 года Ту-4А с бомбой на борту вышел на эшелон 8000 метров - минимальную высоту, на которой Ту-4 мог уйти от взрывной волны. "Татьяна" взорвалась на высоте 350 метров. Отклонение от точки прицеливания составило 280 метров. Зловещий гриб еще тянулся вверх, а в атаку уже устремились истребители МиГ-15, поднялась из окопов пехота. Солдаты увидели жуткую картину: пепел, смерть и разрушение. Они еще не знали тогда, что пройдя этот последний круг ада, обречены навсегда болеть странными недугами, причину которых долго скрывали. Не стали исключением и летчики. Такова была цена ядерного равновесия.

Для поражения целей на территории значительной части Европы и Британских островов, запаса топлива Ту-4 было недостаточно. Для увеличения радиуса действия была создана система дозаправки в воздухе. Был предложен оригинальный способ дозаправки "крыло-крыло". Система получилась очень легкой и простой, но нагрузка на экипажи, по сравнению со схемой "штанга-конус", была выше. Для заправки реактивных самолетов часть Ту-4 была доработаны под танкеры и по схеме "штанга-конус".

Предполагая действия в глубине территории противника, необходимо было решить проблему прикрытия группы бомбардировщиков. Рассматривались различные схемы дозаправки самолетов эскорта в воздухе, а также варианты "буксируемых" истребителей. Бомбардировщик Ту-4 оснащался двумя буксировочными тросами с замками-мишенями. После набора высоты он выпускал тросы, истребители пристраивались за ними, а затем выстреливали захваты и глушили свои двигатели. Дальность МиГ-15 при таком режиме полета возрастала почти до 4000км, но в их кабинах было холодно (без двигателя не работал обогрев), а у буксировщика перегревались моторы, и он не мог держаться в строю бомбардировщиков. Система принята не была.

Носителем крылатых ракет воздушного базирования стала модификация Ту-4К. Под крылом появилось два пилона для подвески крылатых снарядов КС-1. Ту-4К взлетал и уходил в район поиска. В полете из отдельных баков в консолях ракеты заправлялись керосином. После обнаружения и захвата объекта по локатору с дальности 80км производился пуск с наведением ракеты по лучу РЛС. За 20км до цели производился ее перезахват полуактивной головкой самонаведения ракеты, что обеспечивало более высокую точность попадания. Вначале летали с пилотируемыми аналогами снаряда - самолетами "К". Весной 1952 года был произведен автономный пуск, а вскоре комплекс "Комета" был принят на вооружение.

Появление ракетного оружия вызвало необходимость создания летающих мишеней. Одной из них стал беспилотный аппарат Ла-17, старт которого осуществляли с борта носителя Ту-4. Каждый Ту-4 мог нести 2 мишени. Несмотря на облегчение конструкции, Ту-4 с такой подвеской очень медленно набирал высоту: 8000 метров за 2 часа, тратя при этом изрядное количество бензина. В связи с этим была создана модификация Ла-17 с наземным стартом.

В том же 1952 году было принято решение о переоборудовании вылетавших свой ресурс самолетов, в том числе и Ту-4, в самолеты-мишени. Пилот выводил машину в зону стрельб, покидал машину с парашютом, а мишень продолжала полет по программе или по командам с наземного КП.

Бомбардировщик Ту-4 стал первым советским стратегическим самолетом, и единственной страной, куда он поставлялся, стал Китай, где самолет использовался под обозначением H-4. Ту-4 в КНР готовили на роль носителя ядерного оружия, и в мае 1965 года c одного из них была cбpoшена пеpвая китайская ядеpная бoмба мoщнocтью 40кт. В 1957 году началась передача в Китай документации на бомбардировщик Ту-16 и, казалось бы, H-4 должен был быстро сойти со сцены. Однако отношения СССР и Китая резко изменились и летная судьба H-4 оказалась неожиданно долгой. Еще в 1991 году на вооружении ВВС Китая было полтора десятка H-4, правда уже в модернизированом варианте. В частности, на них вместо выработавших ресурс АШ-73ТК устанавливали турбовинтовые двигатели АИ-20.