1945 年 7 月 10 日晚上，图波列夫首次视察了 B-29 轰炸机。B-29 前后飞行员增压舱给他留下了极深的印象，这次视察标志着 B-4 计划的正式启动。一切都按计划井然有序进行着。拆下来的每个部件都要经过仔细的测量和照相以便供复制时用。拆各种仪表和控制系统的时候特别小心，无数的线路则一一编号，贴标签，并且记录在案，之后，这些部件才交给设计小组进行仿照。
斯大林本人通过贝利亚直接监督 图-4 计划的进程。在 图-4 计划中起了至关重要作用的还有图波列夫的副手马尔科夫。这位日后因成功设计出苏联第一代超音速战略轰炸机 Tu-22 而名闻世界的航空设计大师具有非凡的团结和鼓动情绪的能力。战争期间，苏联航空工业承受了巨大压力，现在它又奉命复制大约 10 万个按时满足质量要求的航空部件。图波列夫让苏联部长会议副主席米高扬帮助他解决协调问题。他可以让苏联各个部以最高命令的名义下达，从而确保质量。而一旦发现部件交付拖延，那么部门负责人就得自己向贝利亚去解释。
复制工作非常艰巨：B-29 的部件总共有 105,000 个，需要画 40 万份草图。美国制造商的工艺制度技术与苏联不同。如 B-29 的标准铝合金厚度为十六分之一英寸，可苏联根本无法生产出如此薄的铝合金。图列波夫最后想方设法解决了这个问题，最终 图-4 的重量仅比 B-29 重了不到 1％。图波列夫并不完全照搬美国的 B-29，比如雷达、弹药和发动机，所以发动机改成了苏联人自己设计的 ASH-72K，其产生的动力可达 2,300 马力，比 B-29 的 R-3350 要大。这也是西方国家后来对 图-4 航程更远、飞得更快感到奇怪的原因之一。
图-4 诞生的重要意义
1947 年，苏联按计划生产出了第一架 图-4 战略轰炸机。图波列夫亲自挑选了三位最有名的苏联试飞员飞 图-4。1947 年 5 月，图-4 进行了处女航，苏联终于拥有了第一架自己的战略轰炸机。
1947 年 8 月，图-4 在苏联航空节上首次公开亮相，包括西方国家驻苏联的武官应邀参观。三架 图-4 和一架 Tu-70 客机从 300 米空中飞过主席台。当这三架 图-4 出现在人们眼前的时候，许多西方的武官还以为是失踪已久的美国 B-29 呢，这次展示成了西方媒体的头条新闻。
1947 年 5 月，苏联空军的 图-4 机队
1948 年，图-4 正式服役苏联红军，到 1950 年，苏联红军已经拥有 9 个 图-4 远程轰炸机团，北约给其起了个“公牛”的绰号。朝鲜战争爆发时，苏联已经拥有了 845 架该型飞机。1951 年 10 月 18 日，图-4成功投掷了原子弹，成为具有战略核打击的飞机。图-4 后来还发展出空中加油型，为 MiG-15 进行空中加油。
中国的 图-4 轰炸机
30 年代中期，由于美国波音飞机公司研制出新一代的 B-17 四发重型轰炸机，使前苏联图波列夫设计局早期投产的四发轰炸机 TB-3、TB-6 大为逊色。于是该设计局急于研制代号为“ANT-42”的重型轰炸机。设计中得到设计师 M·彼得里亚科夫大力协作，终于 1936 年 12 月 27 日以“TB-7”代号原型机试飞，1940 年正式投入使用，代号更改为“Pe-8”。
该机在德苏战争中开始不久，曾突击空袭德国柏林等地，取得意外战果。另外一次特殊任务是 1944 年曾搭乘苏联外长莫洛托夫飞往华盛顿和伦敦参加英、美、苏三国首脑会议。相比之下“Pe-8”性能比不上当时英国的“兰开斯特”和美国的“B-17G”，因此 1943 年前后，图波列夫设计局受命设计更新的代号为“64”方案的四发重型轰炸机任务。但在此时，波音公司已推出更新的 B-29 型远程轰炸机，对于该机的优越性能，苏联极为关注。
作为反法西斯战争的同盟国，英、美曾先后提供过如“喷火”、“飓风”、“P-40”、“P-39”、“P-63”、“A-20”、“B-25”等军机给苏联以应急需，但最新的 B-29 处于极度保密情况下则不能提供。
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 图-4。图-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 图-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 图-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 图-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，图-4 逐步退役。