Конструктивно фюзеляж делился на пять разъемных частей. В его центральной части располагались два бомбоотсека с открывающимися створками. Все три кабины экипажа были герметизированы. Для перехода из передней кабины в среднюю имелся специальный лаз. Самолет оборудовался трехколесным шасси с носовым колесом.
Силовая установка самолета состояла из четырех поршневых двигателей воздушного охлаждения АШ-73ТК, разработанных в ОКБ-19 А.Д. Швецова, и снабженных для полета на больших высотах двумя турбокомпрессорами каждый. На двигателях устанавливались четерехлопостные винты изменяемого в полете шага.
Крыло большого удлинения, кессонное. В нем помещалось 22 мягких топливных бака с общим запасом бензина 20180 л. В случае необходимости выполнить длительный полет с меньшей бомбовой нагрузкой в переднем бомбоотсеке можно было подвесить три дополнительных бака с общим запасом бензина в 5300 кг. Каждый мотор обслуживался собственными топливной и масло системами. На самолете устанавливалось разнообразное радиосвязное, навигационное и радиолокационное оборудование, в том числе и панорамный радиолокатор с выдвижной антенной. Прицеливание можно было осуществлять как с помощью этого локатора, так и с помощью оптического прицела. Для контроля бомбометания имелись несколько фэрофотоаппаратов.
Оборонительное вооружение самолета составляли 10 пушек Б-20Э или НС-23 в пяти башнях с дистанционным управлением. Причем всеми огневыми установками мог управлять один человек с любого места. Нормальный запас бомб составлял 6000 кг. Бомбардировщики-носители ядерного оружия (модификация Ту-4А) имели возможность брать по одной атомной бомбе. На этих машинах устанавливалась биологическая защита.
Дальность полета Ту-4 достигала 5100 км, а скорость на высоте 10000 м — 558 км/ч. Эти показатели у советского бомбардировщика были несколько хуже чем у B-29.
Внедрение в производство Ту-4 шло энергично и без задержек, чему в немалой степени способствовало внимание, уделяемое самим Сталиным. 19 мая 1947 года экипаж летчика Н.