二战后期，为了加速结束对日作战，需要轰炸日本本土的军事、经济、政治要地。B-29 投产后，最初选择中国的四川成都作为基地前往轰炸日本本土。为此，中国政府动员百万民工全用手工劳动扩建成都附近的广汉、新津、双流等 4 个大机场以供 B-29 使用。随后美国陆军第 20 航空队第 58 飞行团第 444 轰炸大队的 B-29 首先于 1944 年 4 月 24 日飞来广汉机场，随后于 5 月份便调来百余架 B-29 进驻 4 个机场。同年 6 月 15 日从这些基地起飞的 B-29 机群第一次飞往轰炸日本的八幡钢铁基地，后来又多次轰炸曼谷以及日军在华的军事基地和东北的鞍山钢铁厂等。同年 7 月 31 日，百余架 B-29 出发轰炸鞍山钢铁厂时，由 H.R.查尼尔上校驾驶的一架 B-29 因机械故障和燃油耗尽不能飞回基地而迫降于苏境东部海参崴地区。图波列夫设计局奉命停止“64”方案设计转向对 B-29 的测绘仿制工作。由于苏联的武器规格与美国有异，因此仿制时除炸弹舱和武器安装有更改外，其他外形数据均与 B-29 相同。最初定名为“B-4”，后改称 Tu-4。Tu-4 于 1947 年初试制成功，7 月 3 日首飞，最初 3 架交给严格挑选的飞行员 N.S.利伯哥、M.上加尔那伊、A.G.华斯尔茨耶哥担任机长试飞。在小批生产的 20 架中，曾对该机的螺旋桨、发动机冷却系统及机枪装置做过少许修改。1950 年正式定型批生产 300 架提供苏联远程航空兵服役，直至 1952 年共生产 800 多架，1953 年曾将一架 Tu-4 的第 3 号发动机改装功率更大的 NK-12 涡桨发动机，作为空中试验机，代号为 Tu-4LL。这试验由主管工程师 D.I.肯托设计并由首席试飞员 M.A.耶奇提于次年试飞，因机毁人亡而告终。另还拟将几架改为能运载伞兵 28 名或可乘 52 名土兵的军用运输机，名为 Tu-4T，但没有成功。最终重新设计正常的运输机机身的型号叫 Tu-70 和 Tu-75，小量投产使用，前者可载 72 名人员和 6 名机组乘员。1955 年曾将 12 架改为空中加油机。到 1956 年初新的 Tu-16 喷气轰炸机投产时，Tu-4 逐步退役。
Tu-4LL 与 Tu-70
1949 年底，中华人民共和国航空代表团访苏谈判航空援助问题和毛泽东主席访苏时，苏联答应将 12 架 Tu-4 作为礼物赠送给中国（当时空军称其为“杜-4”，后改为“Tu-4”）。其间中国已派部分人员往苏联熟悉该机性能和技术。1953 年 3 月，该批飞机由苏联机组人员飞来石家庄移交中国。该批飞机由巴林柯空军少将任总顾问，中国人民空军在严密的政审和技术要求中挑选一批空、地勤人员组成“独立第 4 团”来使用这批轰炸机，不久将其中两架调出作为特殊任务使用未列入该因编制。独立 4 团共分 3 个大队，每队 3 架飞机，另一架作为团长专机。训练时，每架均配有苏联的飞行教官、领航、军械等专人负责指导，另外还有一些地勤人员协助指导和维修任务。由于当时极度保密，每个人均持有特殊证件，各机组人员只能登上自己的飞机，不能任意在机前拍照。全团人员外出，均要穿便服。在石家庄集训约一年后，于 1954 年转进北京南苑机场驻防，曾在当年国庆 5 周年时参加天安门检阅。1956 年 2 月由韩林机组驾驶的一架 Tu-4 曾作开辟北京至拉萨试航前沿地形的空中视察，取得重要资料，为不久人民空军正式开辟至拉萨航线创造了有利条件。同年川西地方发生匪徒暴力，部分 Tu-4 曾进驻格尔穆盐湖基地，参加平叛作战，并为地面剿匪部队提供情况。因为该地区海拔太高，为了配合作战，有时飞机越限穿梭于山谷中飞行，其中一架曾被叛匪从山中射击中弹 17 发后仍能安然返航。及后又于 1959-1961 年的西藏平叛战役中参加军事行动。在中印边境冲突中亦负担过巡逻警戒任务。
50 年代后期，台湾国民党空军的 P-2V、RB-57 等电子侦察机及飘空侦察气球，在夜间入侵东南沿海骚扰，为此、我空军曾将两架 Tu-4 前下方的炮塔拆除，改装一盏用炭精棒为光源能转 360 度的强烈光柱照射灯，能直照近千米内的目标，来往摆动长时间追踪照射，使得台湾当局也承认在此种照射方法照射下不可能顺利执行其侦察任务。这种射灯是该团技术参谋董瑞荣主管制造的，并由该团原 1 大队 04 号机的副驾驶后调该团作训参谋协助工作的，当时非该机组人员均不得靠近该机，机组人员均穿上特别全白色工作服。60 年代，该团已调陕西武功基地、其中有一个特殊任务是经常在夜间沿国境线分内外两层执行巡逻任务，天亮回航。
挂载无人机的 Tu-4，已换成涡桨发动机
因战术需要，70 年代初起，依靠人民空军自身的技术力量，陆续将 Tu-4 原装的 ASH-73TK 发动机拆下，改装涡桨六涡桨发动机，并拆除机上的炮塔，作为电子侦察机和电子干扰机使用。这一改装使得动力加大而导致机尾严重振动，因此便在机尾腹部加装一块腹鳍和在水平尾翼外端加装两片导流板。修改后的 Tu-4 亦曾作投放“无侦-5”高空无人驾驶侦察机之用。后又将一架改为空中预警机。在原 Tu-4 使用期间，有时亦作为运输机和执行过黄河冰坝轰炸任务。自 70 年代我国新的喷气式轰炸机投产并陆续装备以后，Tu-4 也基本上失去其应有的战术作用，于 1988 年全部退役。目前有两架 Tu-4 作为中国人民空军建军史上的重要文物收藏于北京中国航空博物馆内供后人观瞻。
陈应明老先生绘制的各型 Tu-4 侧面图
"空警一号"是中国空军利用前苏联 Tu-4 轰炸机改装的预警机。1967 年开始研制、改装，使用"843"测高雷达作为机载雷达。由于加装雷达，飞机动力不足；机背雷达天线罩产生扰动气流，引起垂尾振荡；飞行不稳定等问题。通过换装涡桨发动机，增大推力；采用垂尾配重振荡阻尼器及在飞机左右平尾尖端加装小垂 尾（面积 5.5 平方米）等措施，使这些问题得以解决。1970 年 8 月开始，分两个阶段进行试飞。"843"雷达在探测中、高空目标和在水面、沙漠上空使用时，效果尚好。但在探测低空目标时，受地面杂波影响，效果非常不理想。由于当时国内无机载预警雷达，研制工作于 1971 年 9 月终止。"空警一号"是中国研制的第一架预警机。该机现在北京中国航空博物珍藏。