Конец пятидесятых годов стал временем массового развёртывания зенитно-ракетных комплексов С-75, на которые возлагалась задача охраны воздушного пространства в зоне крупных городов и военных объектов. В то же время в системе советской ПВО оставались довольно значительные прорехи, особенно над Сибирью и Дальним Востоком, где развёртывание зенитно-ракетных войск было связано с огромными трудностями. Поэтому войскам ПВО требовался авиационно-ракетный комплекс перехвата с большой дальностью полёта, способный контролировать огромные безлюдные районы на севере и востоке.
Решение этой задачи «партия и правительство» доверили КБ Туполева. Требовалось построить дальний барражирующий сверхзвуковой истребитель-перехватчик. В результате появился комплекс Ту-128С-4 следующего состава: истребитель Ту-128 (с бортовой РЛС «Смерч») и четыре специально для него разработанные управляемые ракеты Р-80 с полуактивными радиолокационными и тепловыми головками самонаведения.
Большой радиус действия самолёта Ту-128 позволял вынести рубеж перехвата на расстояние до 1500 км, причём он мог барражировать в зоне ожидания в течение трёх с половиной часов. Бортовая РЛС имела дальность обнаружения 50 км, благодаря чему экипаж мог самостоятельно перехватывать цели, без наведения с земли. Высокие, по тем временам, лётно-технические характеристики ракет давали возможность поражать самолёты, летящие со значительным превышением. Согласно предварительным расчётам, вероятность поражения цели при пуске двух ракет должна была составлять 76—77%.
Управляемая ракета Р-80 теоретически обеспечивала поражение воздушных целей, летящих со скоростью до 2000 км/час, в диапазоне высот 8—21 км, на дальности от 2 до 25 км. Осколочно-фугасную боевую часть весом 53 кг подрывал радиовзрыватель.
Ту-128 не был рассчитан на ведение маневренного воздушного боя. Коэффициент максимально допустимой эксплуатационной перегрузки имел значение всего лишь 2—2,5, но это от него и не требовалось. Большие дальности обнаружения и сопровождения радиоприцела «Смерч», наличие ракет со значительной дальностью пуска — всё это обеспечивало атаку стратегических бомбардировщиков с любых ракурсов.
Максимальная скорость Ту-128 с подвешенными ракетами достигала 1665 км/час, дальность полёта составляла 2565 км, при практическом потолке 15 600 метров. Учитывая сложные условия эксплуатации и боевого применения перехватчика, КБ Туполева сделало его двухместным. Лётчик пилотировал самолёт, осуществлял наведение на цель по командам наземной системы и РЛС «Смерч», выполнял пуск ракет, а штурман-оператор осуществлял самолётовождение в течение всего полёта, поиск цели с помощью РЛС, её опознавание и захват, поддерживал радиосвязь с землей.
Буквально за месяц до добровольно-принудительного «ухода на пенсию» Хрущёва, главнокомандующий ВВС маршал Вершинин подписал акт о завершении государственных испытаний нового комплекса перехвата Ту-128С-4. Через год после этого, Постановлением ЦК КПСС и Совмина СССР №361-132 от 30 апреля 1965 года, приказом министра обороны №0040 от 8 июня 1965 года авиационно-ракетный комплекс перехвата Ту-128С-4 был принят на вооружение истребительной авиации войск ПВО. Первые серийные самолёты ещё в 1964 году поступили в 148-й Центр боевого применения и переучивания лётного состава (аэродром Савастлейка), где прошли войсковые испытания.
Полки истребителей-перехватчиков ПВО Ту-128 затыкали «прорехи» в советской системе ПВО над Заполярьем и Сибирью
Истребители Ту-128, предназначенные для дальнего перехвата американских стратегических бомбардировщиков В-52, были завсегдатаями полярного неба
Предварительные планы развёртывания Ту-128 предусматривали размещение по периметру советских границ более 20-и полков этих перехватчиков, но в конечном итоге ими вооружили всего лишь 6 авиационных частей (после перехода на Ту-128 из наименования полков убирали слово «истребительный», а сами машины уважительно именовали кораблями). Этими полками стали: в 10-й армии ПВО — 518-й авиаполк (аэродром Талаги); 445-й авиаполк (Саватия-Котлас); 72-й гвардейский Полоцкий авиаполк (Амдерма); в 14-й армии ПВО — 64-й авиаполк (Омск); 350-й авиаполк (Белая, с 1984 года Братск); 356-й авиаполк (Семипалатинск).
Тактика боевого применения Ту-128 предусматривала два основных варианта действий: а) наведение на цель с помощью наземных пунктов наведения или самолётов дальнего радиолокационного обнаружения Ту-126; б) автономный поиск при помощи бортовой РЛС.
Су-15