Первый опытный "128", Тушино, 9 июля 1961 г.	И.Ф. Незваль	Летчик-испытатель Ту-128 М.В. Козлов

Хотя в основе самолета-носителя лежал уже летавший Ту-98, в ОКБ была проделана большая работа по совершенствованию аэродинамики и конструкции прототипа с целью значительного улучшения летно-тактических и эксплуатационных данных, с учетом нового целевого назначения машины. К основным из них можно отнести совершенствования в области общей и частной аэродинамики, компоновки фюзеляжа, состава оборудования и т.д. В результате самолет-носитель Ту-28, по сравнению с Ту-98, был перепроектирован с учетом "правила площадей", что обеспечило получение максимального аэродинамического качества на больших крейсерских дозвуковых скоростях полета. Для оптимизации работы воздухозаборников и двигателей в широком диапазоне режимов полета перешли к регулируемым двухскачковым воздухозаборникам с подвижными центральными телами в виде полуконусов. С целью улучшения взлетно-посадочных характеристик для самолета были спроектированы эффективные выдвигающиеся щелевые закрылки, введены интерцепторы - воздушные тормоза, изменены схема и конструкция шасси, в котором, в отличие от самолета "98", были применены четырехколесные основные стойки с уборкой их в крыльевые гондолы, введен тормозной посадочный парашют. Эти мероприятия позволили получить сочетание высоких летных характеристик Ту-28 как на сверхзвуковых, так и на дозвуковых крейсерских скоростях полета с неплохими взлетно-посадочными характеристиками. Самолет должен был оснащаться пилотажно-навигационным и радиосвязным оборудованием, близкими по функциональному составу к применявшемуся на дальнем бомбардировщике Ту-16, что позволяло обеспечивать возможность полетов и надежной навигации Ту-28 в районах Севера и Дальнего Востока. Для самолета оптимальным был признан состав экипажа из двух человек: летчик-командир корабля и штурман-оператор. Наличие штурмана-оператора позволяло передать ему значительную часть подготовительных и вспомогательных операций по перехвату и все операции по навигации, тем самым разгрузив летчика, что было крайне важно при выполнении продолжительных полетов на перехват, особенно в безориентирной местности в северных и восточных районах страны.

Первый опытный самолет "128" строился в цехах опытного завода № 156, одновременно разворачивалось серийное производство самолета на заводе № 64 в Воронеже, параллельно шла отработка бортовой РЛС и ракетного вооружения на стендах предприятий-разработчиков и в полетах на летающей лаборатории Ту-98ЛЛ и специально переделанном для этих целей Ту-104. В ходе проектирования и постройки первых машин решено было перейти к более мощным двигателям АЛ-7Ф-2. Подобный подход позволял максимально сократить время испытаний, доводок и внедрения в серию и войска столь сложной системы, каким являлся комплекс Ту-28-80. Строительство первого опытного самолета "128" закончилось летом 1960 года, после проведения всех подготовительных работ самолет был передан на заводские испытания. 18 марта 1961 года экипаж, состоявший из летчика-испытателя М.В. Козлова и штурмана-испытателя К.И. Малхасяна, поднял в первый полет опытный самолет, а уже 13 мая того же года в Воронеже уходит в первый полет серийный самолет Ту-28 (экипаж - летчик-испытатель А.И. Вобликов и штурман-испытатель Н.И. Иркутский). 9 июля 1961 года обе машины приняли участие в воздушном параде в Тушино. Заводские испытания, которые проводились на первой опытной и первой серийной машине, продолжались до конца 1961 года. 20 марта 1962 года начались совместные государственные испытания, в которых приняли участие уже пять машин (одна опытная и четыре серийных). В июле 1964 эти испытания успешно завершаются. В ходе них осенью 1962 года были выполнены первые успешные перехваты и уничтожения целей-мишеней с помощью нового комплекса. В декабре 1963 года комплекс получает новое официальное обозначение - Ту-128С-4, соответственно, самолет-носитель - Ту-128, ракеты с радиолокационной ГСН - Р-4Р и с тепловой ГСН - Р-4Т. 30 апреля 1965 года комплекс официально принимается на вооружение авиации ПВО страны.