图-4轰炸机使苏联远程航空兵在很短时间里就具有了战略轰炸能力
与标准型图-4一起生产的还有图-4A，该机被设计用来挂载RDS-1原子弹，使苏联空军具备最初的核打击能力。该机一开始装备了第45近卫航空师的原子弹大队，后来被重新分配给第403团。
萌萌的RDS-1核弹
苏联纪录片中的RDS-1与图-4A
1951年10月16日，一架图-4A在哈萨克斯坦的塞米巴拉金斯克试验场投下一枚RDS-3核弹，机长K·乌尔茹姆采夫因此被授予苏联英雄称号。1954年9月，另一架图-4A在奥伦堡的托茨科耶进行的“雪球”行动中扔下了另一枚原子弹。
苏联空军的图-4曾差点参加了一次实战，在1956年11月在匈牙利事件期间，几架图-4奉命紧急起飞轰炸布达佩斯，但后来接到返航命令时，飞机还没有飞过边境。
作为山寨产品，图-4的还原度可以打90分
稀奇古怪的“公牛”改型
1954年底，苏联远程航空兵开始换装喷气式轰炸机，由于淘汰下来的图-4仍有大量剩余寿命，所以被改装成其他用途。经过改装后执行特种任务的图-4D能容纳28名全副武装的伞兵，或者在翼下挂载两个流线型的P-90或P-98集装箱，每个集装箱内可容纳一门ASU-57自行火炮，炮组坐在飞机后机身内。共有300架图-4被改装成图-4D，在匈牙利事件期间，布达佩斯街道上的ASU-57和其炮组就是图-4D运来的。
图-4D运输型
图-4D可在翼下挂载两个流线型的P-90或P-98集装箱，每个集装箱内可容纳一门ASU-57自行火炮
图波列夫设计局在1956年又推出了图-4T运输型，该机的机身经过加固，可以装载各种伞降空投包裹或容纳42名伞兵，并配备了机械化装货系统，翼下也可挂载两个P-90或P-98集装箱。不过图-4T停留在了原型机状态。
图-4的其他改型还有图-4R照相侦察机以及图-4UShS导航教练机，大约还有10架图-4被改装为电子战、指挥和参谋部运输机。苏联空军还接收了几架图-4改装的空中加油机，从翼尖延伸出软管锥套能同时为两架飞机进行加油。
图-4空中加油测试
第22和23工厂把“公牛”改装成能在翼下挂载两枚KS-1“彗星”巡航导弹的图-4K。1951年5月，图-4K原型机测试投放了有人驾驶的KS-1导弹，1952年5月，该机开始试射实弹。
翼下挂两枚KS-1“彗星”巡航导弹的图-4K
图-4K在黑海西岸费奥多西亚附近进行了导弹试射，目标是退役巡洋舰“红色高加索”号，在发射的12枚导弹中有8枚击中了目标。
图-4K挂载KS-1进行试飞
两个工厂大约改装了50架图-4K，从1956年8月开始装备了克里米亚的第124团。不过图-4K反舰型只是一种过渡装备，在1957年6月就开始被图-16K“獾”喷气式轰炸机取代。
有架图-4被改装成了辐射侦察机，用于监测美国在太平洋的核试验。一架图-4被改装为通信中继型，尾部拖着长长的天线，用于在偏远地区确保船舶和潜艇与地面指挥站的联系。
1950年，图-4参加了异想天开的“纤夫”项目。项目设想让图-4拖曳关闭了发动机的米格-15比斯战斗机飞行以提高战斗机的巡航力，战斗机也能在远程轰炸中为轰炸机进行护航。在遭遇敌机后，米格就脱离载机，启动发动机进行空战，击落敌机后再返回轰炸机与拖曳索重新对接。
一开始，苏联人试图让图-4一次拖曳3架战斗机，但后来觉得拖曳一架就足够了。拖曳测试始于1951年2月，5架图-4在古比雪夫接受了“纤夫”改装。测试成功后，“纤夫”子母机曾短暂服役于白俄罗斯亚夫罗夫卡的第171近卫团。
