Tới cuối cuộc Chiến tranh thế giới thứ hai, Liên bang Xô viết đã nhận thấy nhu cầu về khả năng ném bom chiến lược tương tự khả năng của Không lực Hoa Kỳ. Người Mỹ thường xuyên tiến hành các cuộc ném bom rải thảm vào Nhật Bản, hầu như ngay phía sân sau Liên bang Xô viết, từ các căn cứ không quân xa xôi ở Thái Bình Dương bằng những chiếc máy bay B-29 Superfortress. Stalin đã ra lệnh phát triển một loại máy bay ném bom tương tự.

Hoa Kỳ đã từ chối cung cấp những loại máy bay ném bom hạng nặng (B-17, B-24 và B-29) cho Liên bang Xô viết theo thoả thuận Cho Thuê-Cho mượn, dù người Xô viết đã nhiều lần lặp lại yêu cầu này[1]. Tuy nhiên, ở ba thời điểm trong năm 1944, những chiếc máy bay B-29 riêng lẻ đã buộc phải hạ cánh khẩn cấp trên lãnh thổ Liên Xô sau những cuộc ném bom vào vùng Mãn Châu thuộc quyền quản lý của Nhật Bản và vào chính nước này. Theo tình trạng trung lập của Liên Xô trong cuộc Chiến tranh Thái Bình Dương, những chiếc máy bay này bị người Nga giữ lại, cho dù có nhiều yêu cầu đòi trao trả của Hoa Kỳ[2]. Phòng thiết kế Tupolev đã tháo rời và nghiên cứu chúng, và Stalin đã ra lệnh cho Tupolev cùng phòng thiết kế của ông tiến hành sao chép những chiếc B-29 cho tới những chi tiết nhỏ nhất, và đưa ra một bản thiết kế sẵn sàng cho việc sản xuất hàng loạt trong thời gian sớm nhất. Tupolev sao chép lại chi tiết tới từng chiếc bulông khi có thể và mô phỏng tất cả các chi tiết kỹ thuật cần thiết từ chiếc B-29.

Người Xô viết đã sử dụng một động cơ khác, Shvetsov ASh-73, có một số chi tiết tương tự như động cơ Wright R-3350 trên chiếc Superfortress nhưng không hoàn toàn giống hệt. Các tháp pháo điều khiển từ xa cũng được thiết kế lại để phù hợp với loại pháo 23mm Xô viết.

Liên bang Xô viết sử dụng hệ đo lường mét, vì thế không kiếm đâu ra được các tấm nhôm 1/16 inch và các loại đinh tán có chiều dài tương thích với nó. Tấm kim loại theo hệ mét tương đương dày hơn; và vì thế chiếc Tu-4 nặng hơn chiếc B-29, làm giảm trọng lượng chất tải.

Chiếc Tu-4 cất cánh lần đầu ngày 19 tháng 5 năm 1947. Việc chế tạo hàng loạt lập tức diễn ra, và nó bắt đầu đi vào phục vụ ở mức độ lớn năm 1949. Việc Tu-4 đi vào hoạt động đặt Không quân Hoa Kỳ trước một mối nguy hiển nhiên, bởi chiếc Tu-4 có tầm hoạt động đủ để tấn công Chicago, Los Angeles, và Thành phố New York với chất tải đủ cho phi vụ một chiều. Một số nỗ lực hạn chế nhằm phát triển các hệ thống tiếp dầu trên không để tăng tầm hoạt động cho loại máy bay này, nhưng chúng chỉ được trang bị trên một số chiếc máy bay.

Năm 1967 Trung Quốc đã cố gắng phát triển chiếc máy bay Cảnh báo Sớm Trên không đầu tiên của họ, dựa trên chiếc Tu-4. Dự án này được đặt tên KJ-1, với một vòm quay Type 843 lắp phía trên đỉnh. Tuy nhiên radar và thiết bị quá nặng và KJ-1 không đạt các yêu cầu của Không quân Quân đội Giải phóng Nhân dân, vì thế dự án đã bị huỷ bỏ năm 1971.[3]