Через некоторое время состоялся телефонный разговор между Сухим и Туполевым, свидетелем которого опять же оказался Самойлович. Вот фрагмент этого разговора: «Туполев Сухому: «…Паш, ты умеешь делать хорошие истребители, но бомбардировщики ты делать не умеешь. Эта тема моя, откажись в мою пользу…» На что Павел Осипович ответил: «Андрей Николаевич, я прошу меня извинить, я ваш ученик, но я думаю, что именно потому, что я умею делать хорошие истребители, я сделаю хороший бомбардировщик и от этой темы не откажусь!»».

Несмотря на эти инциденты, осенью 1962 года конструкторы ОКБ-51 приступили к разработке аванпроекта самолета «Т-4».

Процесс проектирования и производства занял почти девять лет. Это может показаться недопустимо большим сроком, если не знать, что практически все технологии, примененные при разработке ракетоносца «Т-4», создавались и внедрялись с нуля. Для «Сотки» были созданы специальные жаропрочные сплавы, неметаллические материалы, особая резина, пластики. В процессе разработки самолета конструкторы КБ получили 600 (!) авторских свидетельств на изобретения.

Предполагаемое использование широкого диапазона скоростей требовало тщательной отработки аэродинамической схемы. Поэтому в аэродинамических трубах ЦАГИ исследовали более 20 различных компоновок самолета и множество вариантов отдельных элементов — крыла, фюзеляжа, мотогондол и их взаимного расположения и сочетания. Результаты испытаний были проверены в полетах летающей лаборатории «100Л-1» на базе «Су-9». В период с 1967 по 1969 год на нем было испытано восемь конфигураций крыла. Для отработки электродистанционной аналоговой системы управления (ЭДСУ) была использована другая летающая лаборатория — «100ЛДУ», созданная на базе учебно-боевого «Су-7У».

Самолет «Т-4» оснастили несколькими комплексами радиоэлектронного оборудования: навигационным — на базе астроинерциальной системы с индикацией на планшете и многофункциональными пультами управления; прицельным — на базе радиолокатора переднего обзора с большой дальностью обнаружения; разведки, включавшем оптические, инфракрасные, радиотехнические датчики и впервые применявшуюся РАС бокового обзора Комплексирование и автоматизация управления бортовым оборудованием были столь высоки, что позволили ограничить экипаж самолета летчиком и штурманом-оператором.

В декабре 1965 года был утвержден окончательный, 33-й по счету, вариант самолета, и тогда же появилось постановление правительства по постройке машины. На этого отводился пятилетний срок.

В конечном виде ракетоносец «Т-4» выглядел следующим образом.

Габариты: длина самолета — 44,5 метра, высота самолета — 11,2 метра, размах крыла — 22,7 метра, площадь крыла — 295,7 м2, взлетная масса — 135 тонн, масса пустого самолета — 55,6 тонны.

«Сотка» была выполнена по схеме «бесхвостка» с треугольным крылом тонкого профиля с острой передней кромкой.

Использование для балансировки переднего оперения при малых запасах устойчивости уменьшило потери качества на балансировку, увеличило дальность полета на 7 % и снизило шарнирные моменты на органы управления. Малые запасы устойчивости создавались соответствующим изменением центровки за счет перекачки топлива в полете. Требуемые характеристики устойчивости и управляемости обеспечивались системой электродистанционного управления.

В продольном и боковом каналах управление осуществлялось элевонами.

На самолете установили турбореактивные двигатели «Р-36-41» конструкции Рыбинского моторостроительного КБ Петра Колесова. Все четыре двигателя разместили в общей мотогондоле с одним каналом на каждую пару. Питание их воздухом осуществлялось воздухозаборником смешанного сжатия с программно-замкнутой системой регулирования по числу Маха и по отношению давления в горле воздухозаборника и с системой слива пограничного слоя.

На принципиально новых насосных гидротурбинных агрегатах была выполнена и топливная система. Для обеспечения взрывозащиты баков от нагрева впервые была применена система нейтрального газа на жидком азоте, предусмотрены аварийный слив топлива и высокотемпературные подвижные соединения трубопроводов сильфонного типа. Для «Т-4» был выработан новый сорт термостабильного топлива РГ-1 (нафтил). Управление двигателями осуществлялось автоматической электродистанционной системой. Для отработки силовой установки создали модель с двигателями «ВД-19» и макет силовой установки с двигателями «79Р», с помощью которых был проведен комплекс исследований на различных стендах в ЦИАМ.

Из-за больших скоростей и нагрева конструкции самолета до 300 °C от фонаря решили практически отказаться. От него остался лишь круглый люк вверху, на крышке которого на первой машине был установлен перископ, которым летчик пользовался при взлете и посадке. В прочих же режимах полет проходил вслепую: по приборам. Но это не вызывало трудностей, поскольку машина была проста в пилотировании и управлении, обладала хорошей устойчивостью.

Крупным шагом вперед стало применение 4-кратной резервированной автоматической системы управления самолетом.