Việc phát triển R-4 bắt đầu vào năm 1959, bắt đầu trang bị chính thức vào năm 1963. Nó được sử dụng chủ yếu trên máy bay đánh chặn Tu-128, tương thích với radar RP-S Smerch ('Tornado') của Tu-128, mặc dù một số báo cáo đề xuất là MiG-25 mang nó thì tốt hơn.

Giống như nhiều vũ khí của Liên Xô, nó được làm cho cả hai lựa chọn, radar dẫn đường bán chủ động SARH (R-4R) và dẫn đường bằng tia hồng ngoại IR (R-4T). Theo học thuyết của Liên Xô, họ sẽ sử dụng cả hai phiên bản tên lửa SARH/IR để tăng lợi thế cho trân chiến. Mục tiêu bay trên độ cao từ 8 đến 21 km, tên lửa có thể nhắm bắn từ một máy bay phía dưới mục tiêu 8 km.

Vào năm 1973, nó được hiện đại hóa thành mẫu R-4MR (SARH) / MT (IR), hạ thấp độ cao tối thiểu đến mục tiêu (0.5–1 km), được cải thiện hệ thống tìm kiếm và tương thích với radar nâng cấp RP-SM Smerch.

R-4T (cặp bên trong) và R-4R (cặp bên ngoài) được mang dưới cánh của máy bay đánh chặn Tu-128. R-4 phục vụ đến cuối những năm 1980, nó về hưu cùng với Tu-128 sau khi kết thúc chiến tranh Lạnh và sự sụp đổ của Liên Xô.