Utviklingen av R-4 begynte i 1959. Den var opprinnelig benevnt K-80 eller R-80 og ble tatt i bruk rundt 1963 om bord i Tu-128. I likhet med andre sovjetiske våpen brukte den både semi-aktiv radar (R-4R) og infrarød (R-4T). Standard sovjet-prosedyre var å fyre av begge våpnene i par for å øke sjansen for treff.