30年代中期，由於美國波音飛機公司研製出新一代的B-17四發重型轟炸機，使前蘇聯圖波列夫設計局早期投產的四發轟炸機TB-3、TB-6大為遜色。於是該設計局急於研製代號為“ANT-42”的重型轟炸機。設計中得到設計師M·彼得裏亞科夫大力協作，終於1936年12月27日以“TB-7”代號原型機試飛，1940年正式投入使用，代號更改為“Pe-8”。
該機在德蘇戰爭中開始不久，曾突擊空襲德國柏林等地，取得意外戰果。另外一次特殊任務是1944年曾搭乘蘇聯外長莫洛托夫飛往華盛頓和倫敦參加英、美、蘇三國首腦會議。相比之下“Pe-8”性能比不上當時英國的“蘭開斯特”和美國的“B-17G”，因此1943年前後，圖波列夫設計局受命設計更新的代號為“64”方案的四發重型轟炸機任務。但在此時，波音公司已推出更新的B-29型遠程轟炸機，對於該機的優越性能，蘇聯極為關注。
作為反法西斯戰爭的同盟國，英、美曾先後提供過如“噴火”、“颶風”、“P-40”、“P-39”、“P-63”、“A-20”、“B-25”等軍機給蘇聯以應急需，但最新的B-29處於極度保密情況下則不能提供。
二戰後期，為了加速結束對日作戰，需要轟炸日本本土的軍事、經濟、政治要地。B-29投產後，最初選擇中國的四川成都作為基地前往轟炸日本本土。為此，中國政府動員百萬民工全用手工勞動擴建成都附近的廣漢、新津、雙流等4個大機場以供B-29使用。
隨後美國陸軍第20航空隊第58飛行團第444轟炸大隊的B-29首先於1944年4月24日飛來廣漢機場，隨後於5月份便調來百餘架B-29進駐4個機場。同年6月15日從這些基地起飛的B-29機群第一次飛往轟炸日本的八幡鋼鐵基地，後來又多次轟炸曼穀以及日軍在華的軍事基地和東北的鞍山鋼鐵廠等。
同年7月31日，百餘架B-29出發轟炸鞍山鋼鐵廠時，由H。R。查尼爾上校駕駛的一架B-29因機械故障和燃油耗盡不能飛回基地而迫降於蘇境東部海參崴地區。圖波列夫設計局奉命停止“64”方案設計轉向對B-29的測繪仿製工作。由於蘇聯的武器規格與美國有異，因此仿製時除艙和武器安裝有更改外，其他外形數據均與B-29相同。最初定名為“B-4”，後改稱Tu-4.Tu-4於1947年初試製成功，7月3日首飛，最初3架交給嚴格挑選的飛行員N。S。利伯哥、M。上加爾那伊、A。G。華斯爾茨耶哥擔任機長試飛。在小批生產的20架中，曾對該機的螺旋槳、發動機冷卻係統及機槍裝置做過少許修改。
1950年正式定型批生產300架提供蘇聯遠程航空兵服役，直至1952年共生產800多架，1953年曾將一架Tu-4的第3號發動機改裝功率更大的NK-12渦槳發動機，作為空中試驗機，代號為Tu-4LL。這試驗由主管工程師D。I。肯托設計並由首席試飛員M。A。耶奇提於次年試飛，因機毀人亡而告終。另還擬將幾架改為能運載傘兵28名或可乘52名土兵的軍用運輸機，名為Tu-4T，但沒有成功。最終重新設計正常的運輸機機身的型號叫Tu-70和Tu-75，小量投產使用，前者可載72名人員和6名機組乘員。1955年曾將12架改為空中加油機。到1956年初新的Tu-16噴氣轟炸機投產時，Tu-4逐步退役。