Начиная с апреля 1963 г. начались испытания третьего прототипа самолета «128», впервые оснащенного полным комплектом БРЭО, включая РЛС «Смерч», что позволило приступить к полномасштабной отработке «радийных» ракет. В период с августа 1963 г. по май 1965 г. ракетное вооружение самолета испытывалось совместно с другими элементами комплекса в ходе проведения второго этапа государственных испытаний. Основными целями в десятках пусков были все те же мишени на базе Ил-28, обстреливаемые с передней и задней полусфер ракетами как с тепловой, так и с радиолокационной ГСН, оснащенными сначала радиовзрывателями, а затем и оптическими неконтактными взрывателями. Пришлось заменить блок фильтра радиовзрывателя и усилить конструкцию планера. Провели также две стрельбы по мишеням на ЯК-25РВ, летящим на высоте 17500 м с превышением 4500 м над носителем. Для изучения процессов наведения перехватчика со взятием цели на автосопровождение ГСН ракеты продолжались облеты с различных ракурсов самолетов Ту-16, Су-9, МиГ-19 и ЯК-25РВ. С учетом полученной информации по новому американскому разведчику А-11 провели моделирование процесса наведения на сверхскоростные высотные цели.
В 1965 г. в ходе пусков четырех телеметрических и трех боевых ракет сбили три беспилотных Ил-28. Кроме того, выполнили пару автономных пусков, 23 полета летающей лаборатории Ту-104. Исходя из положительных результатов государственных испытаний комплекс был рекомендован к принятию на вооружение и официальную постановку в серийное производство. Первый самолет «128», собранный на серийном заводе № 64 в Воронеже, поднялся в воздух еще 13 мая 1961 г С 1965 по 1966 г серийное производство ракет Р-4 («изделие 36») велось на калининградском заводе № 455 (Калининградском механическом заводе), а в дальнейшем на киевском Заводе им. Артема.
Всего в ходе испытаний сбили 23 цели, в том числе пять Як-25РВ, девять Ил-28 и три Ту-16. Главком ВВС Вершинин утвердил акт государственной комиссии 13 сентября 1964 г
Принятие на вооружение было утверждено постановлением от 30 апреля 1965 г. с приданием наименования комплексу Ту-128-80, самолету — Ту-128, РЛС — РП-28, а ракете — Р-4. При этом для ракеты была определена максимальная дальность 20–25 км при стрельбе по целям, летящим со скоростью до 2000 км/ч в передней полусфере, и 10–12 км при скорости цели до 1250 км/ч в задней полусфере. Цели поражались на высотах от 8 до 21 км (в том числе летящие с превышением 7–8 км). Подвеска ракет снижала максимальную скорость перехватчика с 1910 до 1665 км/ч, эта величина и определяла процесс выведения на цель.
После принятия на вооружение продолжалось проведение пусков в интересах устранения выявленных недостатков и расширения боевых возможностей ракет В 1966 г. осуществлялись экспериментальные пуски по целям на малой высоте (500 м), но они прошли неудачно из- за сбоев и отказов бортовой аппаратуры. В 1967 г. проводились работы по снижению нижней границы зоны поражения до 5 км, по устранению помех от работы двигателя ракеты от «радийной» ГСН. В 1969 г провели 12 пусков по МиГ-17, Ил-28 и М-6 для отработки модифицированного взрывателя НОВ-80М, в следующем году — по определению причин несхода ракет с направляющих. Тогда же выполнили пару пусков Р-4 по автоматическим дрейфующим аэростатам. В отдельные годы проводилось до полусотни пусков ракет
Ракета К-80М (Р-4М, «изделие 36М»)
С момента появления К-80 изменилась тактика действий авиации вероятного противника, которая прорывалась к цели на малых высотах. Исходя из этого постановлением от 26 декабря 1968 г. была задана разработка модернизированного варианта комплекса, которая фактически началась еще в 1966 г
С учетом уточненных требований «изделие 36М» (ракеты Р-4МР и Р-4МТ) сначала предусматривалось комплектовать новой «радийной» ГСН ПАРГ-15ВВ. Позднее по результатам исследований новый вариант ракеты оснастили усовершенствованной тепловой головкой Т-80НМД, неконтактным оптическим взрывателем «Сокол», доработанным двигателем ПРД-84М. За счет реализации электронного переключения положения диаграммы направленности относительно оси антенны по случайному закону было организовано коническое сканирование с повышенной устойчивостью к амплитудным помехам. Кроме того, была уменьшена нижняя граница диапазона вьюот применения: цели поражались на высотах от 50 м при пусках вдогон цели и от 2 км при атаке в переднюю полусферу, которая по-прежнему могла осуществляться с использованием только «радийных» ракет Допустимое превышение цели над перехватчиком увеличилось с 5–6 км до 7–8 км. При этом фактически реализованная модернизация ракеты была намного скромнее планировавшейся в середине 1960-х гг и предусматривавшей, в частности, радикальное увеличение максимальной дальности пуска.