Строительство первого опытного самолета "128" было закончено 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. 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 самолетов. В июле 1964 испытания были успешно завершены. Осенью 1962 года были выполнены первые успешные перехваты и уничтожения целей-мишений с помощью нового комплекса. В декабре 1963 года комплекс получает новое официальное обозначение — Ту-128 С- 4, соответственно самолет-носитель — Ту-128, ракеты — Р-4Р и Р-4Т. 30 апреля 1965 года комплекс принимается на вооружение Авиации ПВО.
Еще в августе 1958 года был решен вопрос о серийном производстве самолета "128", для этого выделялся завод № 64 в Воронеже. Подготовка и разворачивание серии шли практически параллельно с проектированием и постройкой опытного самолета, что значительно сократило этап освоения в серии самолета и приблизило момент поступления комплекса в войска. 13 мая первый серийный самолет совершил первый полет. До 1965 года было выпущено 12 серийных машин, на которых проводились постоянные доработки. Машины использовались в различных испытательных программах, а также для обучения и освоения летным и техническим составом в центре подготовки Авиации ПВО. Полномасштабное серийное производство самолета Ту-128 и комплекса Ту128С-4 развернулось в 1966 году, когда за один год завод выпустил 42 машины, из них 37 были сданы заказчику. Всего с 1962 по 1970 год завод построил 187 истребителей-перехватчиков и в 1971 году — 10 серийных учебно-тренировочных машин Ту-128УТ. В ходе серийной постройки элементы комплекса Ту-128С-4,на основании опыта эксплуатации, постоянно совершенствовались. Модернизировалась конструкция самолета, бортовая РЛС и ракеты, проектировались новые, более эффективные модификации самолето-носителя и комплекса.