Характеристики нового стратегического бомбардировщика были определены Научно-исследовательским институтом авиационных систем в Москве на основании анализа задач, для выполнения которых предназначался такой самолет.

Принципиальной особенностью стал акцент на уничтожение направленных против СССР нестратегических ударных средств, прежде всего — американских авианосцев. Атака на авианосец должна была выполняться без захода в зону его ПВО. На основе такого требования дальность бомбардировщика была определена в 4000 километров, а радиус действияв 2000 километров плюс 1500 километров дальности пуска ракет «воздух — корабль». Ввиду необходимости минимизировать время реакции от поступления команды до нанесения удара максимальная скорость самолета задавалась величиной в 3 Маха, а крейсерская — 2,8 Маха. Вместе с тем к самолету было предъявлено требование базироваться не только на бетонных, но и на грунтовых взлетно-посадочных полосах.

Работы трех авиастроительных ОКБ над этой темой тщательно изучались и в июле и сентябре 1962 года обсуждались на научно-техническом совете министерства авиационной промышленности.

Как и ожидалось, Туполев выдвинул на конкурс проект «Ту-135» (чуть позже — доработанный «Ту-125»), который теперь под «благовидным» предлогом был отвергнут.

Яковлев предложил проект самолета «Як-33» (взлетный вес — 90 тонн, крейсерская скорость полета — 3000 км/ч, высота — 25 километров, дальность — 6000 километров), представлявшего собой высокоплан из жаропрочной стали с треугольным крылом, классическим оперением, выступающей кабиной экипажа и четырьмя двигателями «РД-15», располагавшимися под крыльями.

Однако победителем конкурса неожиданно для всех стал проект Павла Сухого, проходивший под обозначением «Т-4».

Работы над «Т-4» начались в ОКБ-51 еще осенью 1961 года.

Первоначальная проработка облика самолета была поручена заместителю начальника бригады общих видов Александру Полякову, а руководство ею — Ивану Цебрикову. Одновременно разработкой самолета в инициативном порядке занялся и молодой инженер бригады — Олег Самойлович. Его «альтернативный» проект был одобрен Сухим, и в результате Самойлович был назначен руководителем этой разработки с присвоением квалификации ведущего конструктора. Компоновка нового самолета была выполнена по схеме «утка» с передним горизонтальным оперением и двигателями в изолированных мотогондолах, расположенных под консолями крыла.

Воздухозаборник выступал за переднюю кромку крыла. Первые теоретические расчеты показали, что машина будет весить около 102 тонн. Кстати, именно отсюда и произошло второе название самолета — «Изделие 100» («Сотка»).

В декабре 1961 года состоялся первый доклад «суховцев» в ЦАГИ на научно-техническом совете, председателем которого был Владимир Мясищев. Для совета были подготовлены инженерная записка и небольшая тактическая модель первой компоновки. Проект одобрили и работы по дальнейшему совершенствованию компоновки нового ударного самолета были продолжены.

Основное внимание на этом этапе было уделено поиску оптимальной аэродинамической компоновки машины, удовлетворяющей основной задаче самолета — способности выполнять длительный полет на большой высоте со скоростью в 3 Маха. В конце первого квартала 1962 года начались продувки моделей и элементов конструкции в ЦАГИ. Если выбор аэродинамической компоновки («утка» с передним горизонтальным оперением) был сделан сразу, то с расположением мотогондол двигателей и поиском отвечающего требованиям воздухозаборника, дела обстояли куда сложнее.

На основе компоновки с «пакетным» расположением двигателей в мае 1962 года был разработан проект «летающее крыло» с переменной стреловидностью и выступающим из крыла фюзеляжем. В конструкторском бюро ее называли «квази-интегральной».

Бюро Павла Сухого хорошо подготовилось к решающему заседанию научно-технического совета. Кроме готового макета, который демонстрировал сам Главный конструктор, на совете были представлены двигатели к «Т-4»: «Р-15БФ-300» Сергея Туманского (разрабатываемый в тот период для «МиГ-25») и «Р-36-41» Петра Колесова (этот двигатель и получил предпочтение). Ракетное КБ Александра Березняка предложило для «Т-4» крылатую ракету «Х-45».

По итогам конкурса было подготовлено обращение к ЦК КПСС и Совету Министров СССР с предложением начать разработку «сотки». К процессу подготовки документации и постройке самолета подключили КБ и завод Семена Лавочкина, где даже успели изготовить боковые отсеки фюзеляжа. Однако в декабре 1962 года завод перешел на ракетную тематику Владимира Челомея и взамен для строительства «Т-4» выделили Тушинский машиностроительный завод и МКБ «Буревестник» в качестве филиала ОКБ Сухого для участия в проектировании самолета.

Во время подготовки постановления к Павлу Сухому приехал глава ГКАТ Петр Дементьев. Олег Самойлович так вспоминает об этой встрече:

«Дементьев обратился к Сухому: «Павел Осипович вы свою задачу выполнили. Мавр сделал свое дело, мавр должен уйти. Эта тема принадлежит Туполеву. Он лишился возможности строить Ту-135. Поэтому я и вас прошу отказаться от своей разработки». Сухой промолчал, а потом вежливо ответил Дементьеву: «Вы меня извините, но конкурс выиграл я, а не Андрей Николаевич. Поэтому я не могу отказаться от этой темы, тем более я против того, чтобы мое КБ загружали ракетной тематикой. Я хочу строить самолеты». Дементьев внутренне вспыхнул, но виду не показал и лишь сказал Сухому. «Ну, Павел Осипович, смотрите как хотите», после чего встал, попрощался и уехал».