Для обеспечения постройки и стендовой отработки опытных экземпляров самолета решено было подключить к работам Тушинский машиностроительный завод (ТМЗ).

В 1965 г. были выданы технические задания разработчикам на проектирование отдельных агрегатов и систем самолета, а также на натурные стенды. В том же году разработаны чертежи отсеков крыла и фюзеляжа для статических и динамических испытаний и отработки технологий их изготовления.

В 1966 г. было закончено предварительное проектирование и начат выпуск рабочих чертежей. Полный их комплект на первый опытный самолет (изделие «101») и самолет для статических испытаний (изделие «100С») был выпущен в 1968 г. В этом же году началась постройка самолета «101». В 1969 г. была закончена сборка головной и боковой частей фюзеляжа с центропланом, а в 1970 г. сборка агрегатов самолета была закончена полностью.

Почти одновременно в 1968 г. в производство были запущены чертежи планера второго опытного самолета (изделие «102»), затем в 1970 г. -третьего опытного самолета (изделие «103»), а в 1971 г. - четвертого (изделие «104»).

В 1971 г. совместно с Тушинским машиностроительным заводом была завершена постройка первого опытного самолета «101» и 30 декабря он был перевезен из сборочного цеха ОКБ П. О. Сухого на летно-испытательную базу.

В течение четырех месяцев на самолете проводилисьдоводочные работы, а также отладка и отработка систем, осуществлялись попарные и общие запуски двигателей.

20 апреля 1972 г. самолет был принят экипажем на летные испытания. В ходе испытаний «101» выполнено восемь рулежек, из которых четыре были скоростными, с разгоном до скорости 260-290 км/ч и с отрывом носового колеса. Скоростные рулежки выполнялись с помощью систем дистанционного управления, с включенными демпферами, при работе внутренней пары двигателей на максимальном форсажном режиме, а внешней пары - на максимальном бесфорсажном режиме. По окончании скоростного участка рулежек двигатели дросселировались до малого газа, выпускался тормозной парашют и производилось торможение самолета. Результаты проведенного эксперимента подтвердили, что система дистанционного управления имеет лучшие характеристики и более предпочтительна для летчика. Учитывая надежность ее работы благодаря четырехкратному резервированию, было принято решение: первый полет выполнять при управлении самолетом посредством дистанционной системы.

Первый полет экспериментального самолета «101» состоялся 22 августа 1972 г. Его пилотировали заслуженный летчик-испытатель Герой Советского Союза В. Ильюшин и заслуженный штурман Н. Алферов.

Полет проходил при взлетном весе самолета 77300 кг. Шасси в воздухе не убиралось. При взлете внутренние двигатели работали на максимальном форсажном режиме, а внешние -на максимальном бесфорсажном. В полете на высоте 3000 м производилась качественная оценка устойчивости и управляемости самолета и работы силовой установки. Была выполнена имитация посадки самолета пролетом над полосой. Как и было предусмотрено, полет обеспечивался дистанционным управлением. Торможение самолета на пробеге выполнялось основной тормозящей системой и тормозным парашютом. Продолжительность первого полета - 40 минут. Вес топлива составлял 20000 кг.

После первого полета испытания «101» были приостановлены для замены главных опор шасси на модифицированные с доработанным механизмом разворота тележки при уборки шасси.

Перед вторым полетом, который состоялся 4 января 1973 г., на самолете была выполнена скоростная рулежка. Шасси в полете не убиралось. В горизонтальном полете на высоте 3000 м при скорости 500-550 км/ч выполнялись дачи по крену и тангажу, импульсы рулем направления и элевонами по тангажу, проверялась работа двигателей и системы автоматического управления тягой. Максимальная высота полета 5000 метров, продолжительность- 41 минута, максимальная приборная скорость не превышала 630 км/ч. На снижении был выпущен перископ для проверки обзора через него. Посадка произведена с остатком топлива не более 4000 кг.

В третий раз самолет «101» поднялся в воздух 14 февраля 1973 г. В полете была произведена попытка уборки шасси. Однако внутрь вошли только передняя и правая основные опоры шасси - левая основная опора шасси осталась снаружи. Выпуск шасси прошел нормально.

По плану летных испытаний первого этапа намечалось 10 полетов самолета «101», из них практически проведено девять. Первые 5 полетов выполнялись с неубранным шасси. В пятом полете взлетный вес составлял уже 101700 кг. В девятом, который состоялся 6 июля 1973 г., проводилась оценка устойчивости и управляемости самолета в процессе разгона с набором высоты с 10000 м до 12000 м, числа М со значения 0,9 до 1,3 торможения.

Летные испытания первого этапа прошли удачно. В «Отчете о проведении заводских летных испытаний самолета Т-4 (заводской шифр «101»)», подписанном заместителем главного конструктора, ведущим летчиком-испытателем В. Ильюшиным, сказано, что «самолет на рулении прост и хорошо управляем, на взлете устойчив и не имеет тенденции к самопроизвольному рысканию или подъему носа. Очень хороший обзор с опущенной головной частью фюзеляжа значительно облегчает выполнение руления, взлета и посадки самолета. Взлетный угол выдерживается просто, отрыв самолета происходит плавно. После подъема носовой части фюзеляжа полет происходит по приборам. Установленный на самолете перископ дает хороший обзор вперед. Набор высоты прост и не требует от летчика повышенного внимания. В горизонтальном полете самолет управляем хорошо. Разгон и проход скорости звука спокоен, момент прохода М=1 отмечается только по приборам. Заданный режим легко выдерживается элевонами и передним горизонтальным оперением.Интенсивность разгона самолета достаточно хорошая. Заход на посадку и посадка просты. Наличие автомата управлением тяги полностью разгружают летчика от работы двигателями на режиме захода на посадку. Самолет касается земли плавно, без тенденции к «козлению» или самопроизвольному опусканию носа, на пробеге самолет устойчив и хорошо управляем. Тормозные парашюты и тормозная система, система колес эффективны».

Кроме того, следует отметить, что по результатам летных испытаний самолета «101» полученные летные характеристики совпали с расчетными. Агрегаты планера, изготовленные из титановых сплавов и стали в 1968 г., в течение пяти лет эксплуатации не имели нарушений прочности и герметичности ни по одной из сварных точек.

Сборка экспериментального самолета «102» была закончена в 1973 г., в четвертом квартале того же года намечалось начать его летные испытания.

На ТМЗ изготовили агрегаты планера для третьего самолета - «103» - и произвели их окончательную сборку. Летные испытания этого самолета предполагалось начать в третьем квартале 1974 г. В перспективе была сборка и четвертого самолета «104», а также постройка «105» и «106» экспериментальных самолетов.

Первый опытный самолет «101» в дальнейшем намечалось использовать для отработки бортовых систем, определения устойчивости и управляемости на максимальных скоростях полета и для определения летно-технических характеристик.

Самолет «102» планировалось использовать для отработки навигационной комплекса, а «103» - для реальных пусков управляемых ракет. На самолете «104» предполагалось отработать вопросы применения бомбового вооружения, пуска управляемых ракет, а также провести ряд испытаний для оценки дальности полета. Самолет «105» предназначался для отработки систем радиоэлектронного оборудования, а самолет «106» - для отработки всего ударно-разведывательного комплекса в целом.

Закрытие работ по теме «Т-4» перечеркнуло все эти планы.

Первый экспериментальный «трех-маховый» самолет Т-4, совершивший 9 полетов, был в 1982 г. отправлен на вечную стоянку в Монинский музей ВВС. Фрагменты самолета «102» экспонировались в ангаре Московского авиационного института, но впоследствии были разрезаны и увезены на переплавку.

Такая же судьба постигла и частично собранную машину «103».

Планер самолета состоит из следующих агрегатов: фюзеляж, гондолы двигателей, крыло, переднее горизонтальное оперение, киль, основные и передняя опоры шасси.

В свою очередь, фюзеляж, гондолы двигателей и крыло делятся на технологические отсеки.

Фюзеляж самолета состоит из семи основных отсеков: отклоняемой носовой части, кабинного отсека, приборного отсека, отсека центрального топливного бака, хвостового отсека и отсека хвостового парашюта.

В отклоняемой носовой части фюзеляжа под радиопрозрачным обтекателем размещается антенна и радиоэлектронные блоки радиолокационной станции. Перед передней стенкой кабины в отклоняемой носовой части находятся стеллажи с блоками пилотаж-но-навигационной системы, системы управления оружием, а также агрегаты системы кондиционирования. В отклоняемой носовой части фюзеляжа установлена и штанга дозаправки самолета топливом в воздухе.

В верхней части кабинного отсека размещаются тандемно расположенные кабины летчика и штурмана. Каждая кабина имеет свой откидной люк для аварийного покидания самолета и для посадки экипажа в кабины. В подкабинных отсеках установлены системы жизнеобеспечения экипажа и система охлаждения и кондиционирования.

Основная часть радиоэлектронного оборудования установлена в приборном отсеке. Фюзеляж в зоне приборного отсека по всей его длине имеет круглое сечение диаметром 2000 мм. Длина приборного отсека 6746 мм. Он выполнен герметичным с теплоизоляционным покрытием по всей поверхности отсека.