Главным оружием Ту-4 должна была стать атомная бомба, разработка которой была начата в 1946 г. в ОКБ-11 под руководством Ю.Б. Харитона и начальника конструкторского отдела В.А. Турбинера. Параллельно с проектированием заряда РДС-1 ОКБ-11 совместно с бригадой вооружения ОКБ Туполева произвели доработку трех самолетов Ту-4 для проведения баллистических и «горячих» испытаний атомной бомбы. Доработанные самолеты были обозначены индексом Ту-4А. На этих самолетах была установлена система взведения заряда и специальный бомбодержатель.
Ту-4А отличался от «нормального» Ту-4 новой бомбардировочной установкой, обеспечивающей электрическую стыковку бортового самолетного оборудования с изделием через специальный разъем, наличием тросовой системы извлечения чек при сбрасывании бомбы «на взрыв», системой поддержания температурных условий в бомбоотсеке вплоть до практического потолка самолета, доработанным оптическим прицелом с расширенным диапазоном условий сбрасывания, установкой в кабине штурмана-бомбардира спецвооружением соответствующего пульта управления спецвооружением.
Первоначально была произведена большая серия сбросов макетных бомб в целях отработки конструкции парашюта, оперения бомбы, радиовысотомеров, генерирующих сигнал для взрыва ядерного заряда на заданной высоте. 18 октября 1951 г. экипаж Ту-4А под командованием подполковника К.И. Уржунцева сбросил на Семипалатинском полигоне бомбу «Мария» с зарядом РДС-3 (вес-3100 кг), мощность заряда 40 кт. Единственным средством защиты экипажа самолета-носителя от малоизученных в то время поражающих факторов ядерного взрыва являлись светозащитные экраны и специальные очки.
Первым серийным ядерным зарядом, разработанным для боевых частей ракет и свободнопадающих бомб, стал 30-килотонный заряд РДС-4. Его вариант, РДС-4Т, был разработан для атомной бомбы «Татьяна», поступившей на вооружение Дальней авиации. Внешне «Татьяна» соответствовала обычной фугасной бомбе. Ее корпус по сравнению с «изделием 501» был короче более чем в четыре раза, вес снизился с 5000 кг до 1200 кг.
Ту-4 стал первым советским носителем ядерного оружия. По решению Совета Министров СССР от 29 августа 1951 г. № 3200—1513 Военное министерство приступило к формированию бомбардировочного полка, вооруженного атомными бомбами, с условным наименованием «Учебно-тренировочная часть № 8» в составе 22 боевых самолетов-носителей Ту-4.
С 1947 по 1952 г. Ту-4 строился массовой серией на трех заводах: № 22 в Казани, № 18 в Куйбышеве и № 23 в Москве. За эти годы выпустили около 850 машин разных модификаций.
Ту-4 – базовый серийный дальний бомбардировщик;
Ту-4А – носитель атомной бомбы;
Ту-4 т – танкер;
Ту-4К – носитель крылатых ракет КС-1;
Ту-4Р – разведчик.
Длина: 30,179 м
Размах крыла: 43,047 м
Высота: 8,460 м
Масса пустого: 36 850 кг
Нормальная взлетная масса – 47 850 кг
Максимальная взлетная масса – 63 600 кг
Объем топливных баков: 20 180 л (+ 3 × 2420 л дополнительных бака в переднем бомбоотсеке)
Силовая установка: 4 АШ-73ТК, мощность двигателей 4×2400 л. с.
Максимальная скорость на большой высоте – 558 км/ч
Практическая дальность:
при максимальной взлетной массе с 3000 кг бомб: 6200 км
при максимальной взлетной массе с 9000 кг бомб: 4100 км
Практический потолок – 11 200 м
Боевая нагрузка – до 12 тонн (максимальная)
Управляемые ракеты: 2 × КС-1
Бомбы: ядерная – 1 × РДС-3; фугасные: 2 × ФАБ-6000 или 4 × ФАБ-3000 или 8 × ФАБ-1500 или 14 × ФАБ-500 или 40 × ФАБ-250 или 48 × ФАБ-100
Первый стратегический бомбардировщик Ту-4 публично был продемонстрирован на воздушном параде 18 августа 1947 г. Промышленные и государственные испытания Ту-4 длились почти два года и завершились к концу 1948 г. В них участвовали и экипажи ДА: п/п-ка Пономаренко В.В. (203-й тбап) и п/п-ка Вагапова И.Ш. (флагманский экипаж ДА). В процессе их самолеты участвовали и в воздушных парадах 12 июля и 7 ноября 1948 г.
Первым полком, освоившим самолет в 1949 г., стал 203-й гв. тбап 45-й тбад (Барановичи). Командир полка гв. п/п-к Пономаренко В.В. первым освоил самолет Ту-4. Вторым – флагманский экипаж ДА п/п-ка Вагапова И.Ш. Освоение Ту-4 вслед за полками 45-й дивизии 50-й ВА начали в 13-й гв. тбад (командир п-к Сажин Н.И.) 43-й ВА. В 13-ю дивизию входили 185, 202 и 226-й гв. полки. Первым переучивание начал 185-й тбап, а с апреля 1949 г. – 202-й и 226-й полки. Первые 6 Ту-4 приземлились в Полтаве в июле 1949 г., и в том же месяце уже начались полеты в составе штатных экипажей. В начале сентября в полку началось освоение маршрутных полетов с бомбометанием днем с последующим переходом к полетам ночью. Всего было переучено 72 командира корабля и 67 экипажей. Средний налет при переучивании составлял 14 часов. В процессе освоения самолета налет составлял 80—120 час.