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Tu-4.Tu-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Tu-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Tu-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Tu-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，Tu-4逐步退役。
1949年底，中华人民共和国航空代表团访苏谈判航空援助问题和毛泽东主席访苏时，苏联答应将12架Tu-4作为礼物赠送给中国（当时空军称其为“杜-4”，后改为“Tu-4”）。其间中国已派部分人员往苏联熟悉该机性能和技术。1953年3月，该批飞机由苏联机组人员飞来石家庄移交中国。该批飞机由巴林柯空军少将任总顾问，中国人民空军在严密的政审和技术要求中挑选一批空、地勤人员组成“独立第4团”来使用这批轰炸机，不久将其中两架调出作为特殊任务使用未列入该团编制。独立4团共分3个大队，每队3架飞机，另一架作为团长专机。
训练时，每架均配有苏联的飞行教官、领航、军械等专人负责指导，另外还有一些地勤人员协助指导和维修任务。由于当时极度保密，每个人均持有特殊证件，各机组人员只能登上自己的飞机，不能任意在机前拍照。全团人员外出，均要穿便服。在石家庄集训约一年后，于1954年转进北京南苑机场驻防，曾在当年国庆5周年时参加天安门检阅。
1956年2月由韩林机组驾驶的一架Tu-4曾作开辟北京至拉萨试航前沿地形的空中视察，取得重要资料，为不久人民空军正式开辟至拉萨航线创造了有利条件。同年川西地方发生匪徒暴力，部分Tu-4曾进驻格尔穆盐湖基地，参加平叛作战，并为地面剿匪部队提供情况。因为该地区海拔太高，为了配合作战，有时飞机越限穿梭于山谷中飞行，其中一架曾被叛匪从山中射击中弹17发后仍能安然返航。及后又于1959-1961年的西藏平叛战役中参加军事行动。在中印边境冲突中亦负担过巡逻警戒任务。
50年代后期，台湾国民党空军的P-2V、RB-57等电子侦察机及飘空侦察气球，在夜间入侵东南沿海骚扰，为此、我空军曾将两架Tu-4前下方的炮塔拆除，改装一盏用炭精棒为光源能转360度的强烈光柱照射灯，能直接照近千米内的目标，来往摆动长时间追踪照射，使得台湾当局也承认在此种照射方法照射下不可能顺利执行其侦察任务。这种射灯是该团技术参谋董瑞荣主管制造的，并由该团原1大队04号机的副驾驶后调该团作训参谋协助工作的，当时非该机组人员均不得靠近该机，机组人员均穿上特别全白色工作服。
60年代，该团已调陕西武功基地、其中有一个特殊任务是经常在夜间沿国境线分内外两层执行巡逻任务，天亮回航。
因战术需要，70年代初起，依靠人民空军自身的技术力量，陆续将Tu-4原装的ASH-73TK发动机拆下，改装涡桨六涡桨发动机，并拆除机上的炮塔，作为电子侦察机和电子干扰机使用。这一改装使得动力加大而导致机尾严重振动，因此便在机尾腹部加装一块腹鳍和在水平尾翼外端加装两片导流板。修改后的Tu-4亦曾作投放“无侦-5”高空无人驾驶侦察机之用。后又将一架改为空中预警机。在原Tu-4使用期间，有时亦作为运输机和执行过黄河冰坝轰炸任务。
自70年代我国新的喷气式轰炸机投产并陆续装备以后，Tu-4也基本上失去其应有的战术作用，于1988年全部退役。目前有两架Tu-4作为中国人民空军建军史上的重要文物收藏于北京中国航空博物馆内供后人观瞻。
