和 XB-70 相比，T-4 采用双三角翼，在充分利用大后掠三角翼的超音速性能的同时，内侧后掠角更大的部分起到近似于前缘边条的作用，对中低速性能有所改善。XB-70 采用简单三角翼，但翼尖可以下垂，形成倒挂的翼尖小翼一样的效果。但这不是为了方向安定性，而是为了产生压缩升力，也就是用机翼和机体高速对空气冲压产生的动压产生升力。这有别于通常机翼产生升力的机理，可以降低高速飞行时的诱导阻力，但也仅适用于高速飞行，所以中低速度飞行时，翼尖还是要升起来，和机翼齐平，作为普通三角翼的一部分。相比之下，XB-70 的气动设计水平更高一点。
T-4 最初的发动机为 4 台 R15 发动机，这是米格-25 的发动机。发动机的位置经过了几次改动。最初设计是翼下吊挂，两台一组，进气口前伸到机翼前缘之前，保证发动机的工作状态。这个方案的发动机远离机舱，有利于最终改装成客机，但两个发动机组吊舱增加了表面积，增加了和空气的摩擦阻力。为了最大限度地降低阻力，最后把四台发动机密集安装在一起，共用机腹下一个吊舱，减小暴露的面积和由此而来的诱导阻力。发动机也改用 4 台科莱索夫 RD36，这原是垂直/短距起落飞机的升力发动机，但其特别高的推重比受到青睐，经过特别耐久性改装后，成为 T-4 的动力装置，单台加力推力高达 15,000 公斤。
1963 年 5 月 23 日到 6 月 3 日，T-4 通过了空军的概念论证。1963 年底，部长会议发布决议，正式启动 T-4 计划，要求 1964 年完成设计，1968 年首飞。后来的历史证明了这个时间表太过乐观了。
1964 年初，空军批准了初步设计。10 月份，国家航空技术委员会（相当于专管航空的国防科工委）批准了 T-4 设计，土西诺飞机厂被指派为苏霍伊设计局的协作单位。土西诺开始的时候对这个安排不大乐意，不喜欢影响已经在生产的型号，也不喜欢新飞机的巨大技术挑战。但苏霍伊最终和土西诺建立了良好的协作关系。
与此同时，苏霍伊和 TsAGI 开始大量的气动研究，对不同的机翼后掠角、展弦比、相对厚度、翼型、机翼形状、机身长细比、鸭翼和垂尾的形状和位置、常规座舱还是埋入式座舱等作了大量的风洞研究，为最终设计积累数据。除了气动设计外，结构设计也在紧锣密鼓地进行。设计局制造了一段 21 米长的机翼段，带翼内油箱，用于风洞中的颤振研究。为了研究 3 倍音速下气动加热对材料和结构的影响，5 种类型、20 件机翼蒙皮也送到 TsAGI 作气动和热动力学测试，测试导热和疲劳性能。
T-4 的巨大技术困难不仅对苏霍伊是巨大的挑战，苏霍伊也受到航空界同事对 T-4 在技术上过于激进的指责。图波列夫在一次航空工业部的技术评审会上说：“苏霍伊绝不可能研制成功这样一架飞机。我知道，因为他是我的学生。”苏霍伊巧妙地回答说：“正因为我是你的学生，所以我能够做到。”
1965 年时，全尺寸分系统的研制全面展开，燃油系统、液压系统、机械控制系统、起落架、操纵面、鸭翼、简化的无线电系统、电气系统、武器系统，都处在不同阶段的设计之中。1966 年 12 月，苏霍伊终于向苏联空军展示了 T-4 的全尺寸模型。1967 年 1 月 17 日到 2 月 2 日，空军审查 T-4 全尺寸模型，模型具有可拆卸的武器舱和电子设备舱，便于今后的升级和任务变更。
T-4 的正常起飞重量最后为 101 吨，最大起飞重量 122.9 吨，远远小于美国的 XB-70，但又远远大于米格-25 或者 SR-71，相当于中型轰炸机的重量。航程略为增加到 6,200 公里，速度还是 3,000 公里/小时。
1966-68 年间，T-4 一号机在土西诺制造。一架图-16 被用于测试发动机，另有伊尔-18、图-104、图-22、安-12 用于测试不同的电子系统和天线，包括通信、导航、攻击、天线气动加热、照相、红外、导弹等测试。一架苏-7 改装成代号 100L 的机翼研究机，专门用来研究拟议中的 T-4 机翼在真实大气中的性能，最终优化机翼设计。100L 还用来测试飞控和稳定性、操控性。
苏-7 100L 机翼研究机
1969 年，一号机的最后装配开始。装配持续到 1971 年，1971 年 12 月才移交试飞准备。同时，二号机送 TsAGI 作静态试验，鸭翼和电子设备舱做 270 摄氏度的高温试验。首飞前，55% 的静态试验已经完成。
1972 年 4 月 20 日，伊柳辛开始做跑道滑跑试验，共进行了 12 次，其中包括两次模拟起飞失败的加速到拉起速度之前马上减速滑跑。1972 年 8 月 22 日，伊柳辛驾驶一号机完成首飞，以后做了 9 次试飞，完成第一阶段的试飞。试飞表明，T-4 具有良好的操控品质，基本飞行性能良好。4 余度模拟电传飞控操作轻便稳定，切换到机械备份的动作也正常，但机械操控十分沉重，对飞行员的技术要求也很高。试飞中达到 1.28 倍音速，最高飞到 12,000 米。事后数据分析，飞行性能符合设计，预计后续试飞可以达到整个设计包线。结构检查没有发现疲劳和损坏。
伊柳辛和机组人员在首飞成功后下机，接受人们的祝贺
一号机的下一阶段试飞将集中在系统测试、最大速度是的操控性和稳定性。二号机在 1969 年开始制造，1972 年还是装上分系统，1973 年完成。准备 1973 年第 4 季度首飞，主要测试导航系统。三号机也开始了制造，准备 1974 年第 3 季度首飞，主要测试武器系统。四号、五号、六号机的准备工作也在进行中。但这时，苏联空军改了主意，1974 年 1 月 22 日，T-4 下马了。一号机转交莫斯科郊外的 Monino 航空博物馆，二号机交莫斯科航空学院作为教学用，三号机拆毁回收废金属。
着陆中的 T-4
正在土西诺飞机厂组装的 T-4
T-4 下马的原因和美国 XB-70 一样。防空导弹、具有上射能力的空空导弹使高空高速不再是可靠的突防手段，使导弹达到双三远远比使飞机达到双三容易。如果需要，导弹还可以达到双四。但飞机要更进一步就十分困难了。双三的技术困难使 T-4 的研制一拖再拖，未来大批生产的成本也将非常可观。据说格列奇科上任国防部长时，部下向他报告：“要是你还想要大批生产米格-23 的话，只有把 T-4 下马”。权衡考虑，连挥金如土的苏联空军都受不了 T-4 的高成本，最后只好下马了。