为国土防空巡逻机使用，图-4轰炸机第一次实战是于1958年轰炸西藏。1960年的中印战争，还曾执行过轰炸黄河冰川等任务。1966年，解放军更换了Tu-4发动机，AI-20K涡轮轴发动机替换了原本的活塞发动机；1967年计画将她改造为空中预警机（代号空警-1），但最后因为加装侦搜雷达的试飞过程中屡次失败而作罢，空警1号研发在1971年取消。解放军的Tu-4服役到1988年退役，并由后继者轰-6接任解放军的战略轰炸机任务。