Samoloty Tu-4 zostały oficjalnie przyjęte do wyposażenia radzieckiego lotnictwa w 1948 roku. W pierwszej połowie lat 50. stanowiły podstawowe wyposażenie Lotnictwa Dalekiego Zasięgu. W podstawowej wersji bombowej były przeznaczone do wykonywania indywidualnych lub zmasowanych nalotów na kluczowe obiekty wojskowe i przemysłowe leżące w głębi terytorium przeciwnika oraz zgrupowania wojsk przy użyciu bomb konwencjonalnych lub chemicznych. Tu-4A były pierwszymi radzieckimi nosicielami bomb atomowych. Inne wersje służyły do przenoszenia pocisków skrzydlatych, rozpoznania, transportu i szkolenia nawigatorów. Oprócz ZSRR Tu-4 były używane w Chińskiej Republice Ludowej.
Próby państwowe
Pierwsze seryjne Tu-4, wówczas jeszcze znane jako B-4, po oblotach w Kazaniu przelatywały na lotnisko Ramienskoje w Żukowskim pod Moskwą w celu przeprowadzenia prób państwowych (certyfikacyjnych) w Instytucie Badań Lotniczych (Lotno-issledowatielskij institut, LII). Zanim je rozpoczęto, trzy pierwsze maszyny (nr ser. 220001, 220002 i 220101) wzięły udział w paradzie lotniczej nad lotniskiem Tuszyno pod Moskwą 3 sierpnia 1947 roku. Ich przelot na małej wysokości zrobił wielkie wrażenie nie tylko na licznie zgromadzonej publiczności, ale także na przedstawicielach radzieckich władz i zagranicznych dyplomatach. Co ciekawe, na Zachodzie przez dłuższy czas wierzono, że są to oryginalne amerykańskie B-29 internowane na Dalekim Wschodzie. Gdy wreszcie zdano sobie sprawę, że Tu-4 to radziecka bezlicencyjna kopia B-29, w kodzie NATO nadano mu nazwę Bull (byk).
W pierwszym etapie prób wzięły udział trzy samoloty (numery ser. 220002, 220102 i 220201). Uzyskano prędkość maksymalną 427 km/h na poziomie morza i 557 km/h na wysokości 9600 m, pułap praktyczny 11 500–11 600 m oraz zasięg 5150 km z ładunkiem 1500 kg bomb i 3320 km z ładunkiem 9000 kg bomb. Nie wszystko działało sprawnie i wiele elementów wymagało wymiany lub dopracowania. Mimo to załogi chwaliły stabilność samolotu w locie i łatwość pilotażu, wygodne stanowiska zapewniające komfort pracy oraz nowoczesne wyposażenie. Po stronie wad odnotowano m.in., że wypukłe szyby kokpitu zniekształcają widok, a sterowanie wymaga sporej siły. Zwrócono także uwagę na brak instalacji przeciwoblodzeniowej. Siły Powietrzne (Wojenno-wozdusznyje siły, WWS) zażądały wzmocnienia konstrukcji płatowca, aby zwiększyć maksymalną masę startową, a także wzmocnienia opancerzenia stanowisk załogi. Po zakończeniu tego etapu prób wypunktowano w sumie 82 usterki i wady, które należało niezwłocznie poprawić. Nie obyło się bez wypadków – 18 września 1947 roku stracono samolot nr ser. 220101, a 5 listopada nr 220303.
Po usunięciu większości niedociągnięć przystąpiono do drugiego etapu prób z udziałem 10 egz. Tu-4. Ponadto pięć maszyn przekazano do Instytutu Naukowo-Badawczego Sił Powietrznych (Nauczno-issledowatielskij institut Wojenno-wozdusznych sił, NII WWS) na lotnisku Czkałowski koło Moskwy. Wiele rozwiązań technicznych i urządzeń zastosowanych w Tu-4 było całkowitą nowością w radzieckim lotnictwie, więc ich dokładne przetestowanie mogło zająć nawet kilka lat. Aby skrócić ten proces, do prób przeznaczono aż 20 egz. Tu-4. Mimo to cały program prób trwał do połowy 1949 roku, choć już pod koniec 1948 roku Stalin osobiście zatwierdził decyzję o przyjęciu bombowca Tu-4 do wyposażenia WWS.
Służba w WWS
Samoloty Tu-4 stanowiły w pierwszej połowie lat 50. podstawowe wyposażenie Lotnictwa Dalekiego Zasięgu (Dalniaja awiacja, DA), które reaktywowano na mocy postanowienia Rady Ministrów ZSRR z 3 kwietnia 1946 roku. W jego skład weszły początkowo trzy armie powietrzne lotnictwa dalekiego zasięgu (wozdusznaja armija dalniej awiacji, WA DA), sformowane 9 kwietnia tego samego roku: 1. WA DA z dowództwem w Smoleńsku, 2. WA DA z dowództwem w Winnicy i 3. WA DA z dowództwem w Chabarowsku. Na podstawie dyrektywy szefa Sztabu Generalnego Sił Zbrojnych ZSRR z 10 stycznia 1949 roku, z dniem 15 lutego przemianowano je odpowiednio na 50., 43. i 65. WA DA. Ta ostatnia została rozwiązana w połowie 1953 roku, ale w lipcu 1957 roku na bazie jednego z jej korpusów utworzono 5. WA DA.
Do szkolenia załóg Tu-4 wyznaczono 890. BAP (bombardirowocznyj awiacjonnyj połk), który w tym celu jesienią 1946 roku wydzielono z 45. BAD (bombardirowocznaja awiacjonnaja diwizija) i podporządkowano bezpośrednio Dowództwu Lotnictwa Dalekiego Zasięgu. Pułk przeniesiono do Kazania i przemianowano na 890. OUTAP (otdielnyj uczebno-trienirowocznyj awiacjonnyj połk). Wyposażono go w bombowce B-25J i B-24, w celu zapoznania załóg z amerykańską techniką lotniczą, a pilotów z procedurą startu i lądowania samolotami z przednim podwoziem. Po rozpoczęciu produkcji Tu-4 pułk pełnił funkcję jednostki szkolenia operacyjnego na tym typie, a jego piloci oblatywali bombowce wyprodukowane w tamtejszym Zakładzie Nr 22. Jesienią 1949 roku do szkolenia w pilotażu Tu-4 włączono również 34. UAP (uczebnyj awiacjonnyj połk) w Łebedynie.
Pierwszą jednostką operacyjną wyznaczoną do przezbrojenia w Tu-4 był 203. GwBAP z 45. BAD ze składu 1. (50.) WA DA, stacjonujący w Bołbasowie koło Orszy i wyposażony wcześniej w bombowce B-24 i B-17. W ślad za tym jednostki przemianowano odpowiednio na 203. GwTBAP (gwardiejskij tiażołyj bombardirowocznyj awiacjonnyj połk) i 45. TBAD (tiażołaja bombardirowocznaja awiacjonnaja diwizija). Szkolenie załóg rozpoczęło się w czerwcu 1948 roku. W następnej kolejności w Tu-4 przezbrojono 52. GwTBAP i 362. TBAP z tej samej dywizji. Na początku 1949 roku szkolenie na Tu-4 rozpoczął personel trzech pułków z 13. GwTBAD z Połtawy wchodzącej w skład 2. (43.) WA DA – 185., 202. i 226. GwTBAP. Pierwsze egzemplarze Tu-4 przybyły do 185. GwTBAP w lipcu 1949 roku. W 1950 roku Tu-4 zaczęły trafiać do trzech pułków z 22. GwTBAD z Bobrujska wchodzącej w skład 50. WA DA – 111. TBAP oraz 200. i 210. GwTBAP. W latach 1951–1952 w Tu-4 przezbrojono kolejne pułki.