Первым серийным межконтинентальным носителем ядерного оружия среди реактивных самолетов стал советский тяжелый бомбардировщик М-4 конструкции В. М. Мясищева, опередивший B-52, несмотря на то, что американцы приступили к созданию своей машины намного раньше. В. Мясищев, будучи профессором в Московском авиационном институте, подал в правительство предложение о создании стратегического самолета с дальностью полета 11-12 тыс. км. И.В. Сталин принял решение поручить В. Мясищеву разработку самолета, но ограничил эти работы очень жесткими сроками. 24 марта 1951 года постановлением Совета Министров СССР вновь воссоздается ОКБ-23, закрытое ранее, главным конструктором которого назначают В. Мясищева. Ему и поручается создание нового бомбардировщика. В июне главком ВВС утвердил тактико-технические требования, которые определяли следующие основные характеристики самолета "М": максимальная дальность полета с бомбовой нагрузкой в 5 т должна составлять не менее 11-12 тыс. км, а скорость на высоте 9000 м — 900 км/ч. В короткий срок был подготовлен и утвержден эскизный проект. Параллельно с ним прорабатывалась технология производства, ведь до этого самолеты таких габаритов и веса в Советском Союзе не создавались.

Самолет выполнен по нормальной аэродинамической схеме с высоко расположенным стреловидным крылом и стреловидным оперением. В период проектирования в аэродинамической трубе ЦАГИ было продуто большое число моделей. В результате удалось создать относительно легкое крыло большого удлинения кессонной конструкции, хорошо противостоящее влиянию флаттера. В его корневой части крыла разместили два двигателя, каждый из которых имел свой воздухозаборник, исключавший взаимное влияние при работе на различных режимах. Сопла двигателей были развернуты в горизонтальной и вертикальной плоскостях, что было необходимо для исключения воздействия горячих газов на фюзеляж и хвостовое оперение. Силовая установка самолета состояла из четырех ТРД АМ-3А конструкции А. А. Микулина с тягой по 8700 кгс. При проектировании шасси конструкторы решили использовать велосипедную схему. В результате проработки различных вариантов был выбран вариант с передней "вздыбливающейся" тележкой и боковыми поддерживающими стойками на концах крыла. Практический опыт показал правильность принятого решения. В конце разбега нос машины приподнимался, и угол атаки увеличивался. Взлет происходил практически без вмешательства пилота. Тяжелый самолет хорошо держался на взлетно-посадочной полосе и довольно легко управлялся. Максимальная бомбовая нагрузка составила 24 т. Для сброса бомб применялся радиолокационный прицел РПБ-4. Для самообороны самолет оснащался шестью спаренными 23 мм автоматическими пушками АМ-23. Экипаж бомбардировщика, состоящий из восьми человек, размещался в двух гермокабинах и имел катапультируемые кресла. Следует отметить, что примененный способ катапультирования вниз был неудобен и не обеспечивал спасение экипажа на малых высотах. К концу 1952 года была закончена постройка первого опытного экземпляра. 20 января следующего года экипаж во главе с летчиком-испытателем Ф.Ф. Опадчим совершил на нем первый полет. Начавшиеся летные испытания затянулись до апреля 1954 года. Максимальный полетная масса самолета составила 181,5 т, скорость полета на высоте 6700 м достигала 947 км/ч. В 1953 году к испытаниям был подключен второй опытный экземпляр, отличавшийся от первого уменьшенной на один метр длиной фюзеляжа, измененной конструкцией закрылков и передней стойки шасси. В результате внесения всех изменений масса планера уменьшилась на 850 кг. Одновременно развернулась подготовка к серийному производству. К этому времени бомбардировщик получил официальное обозначение М-4.

Для ускорения испытаний руководители ВВС и министерства авиационной промышленности приняли решение проводить совместные государственные испытания, для чего подключили летчиков-испытателей из НИИ ВВС. 1 мая 1954 года опытная машина в сопровождении истребителей МиГ-17 приняла участие в воздушном параде над Красной площадью. Ее фотографии быстро появились в ведущих мировых изданиях. Это событие не на шутку встревожило американское руководство, которому стало ясно, в Советском Союзе создан межконтинентальный бомбардировщик, способный достичь территории США. Испытания шли не совсем гладко. Если по всем основным характеристикам самолет удовлетворял предъявленным техническим требованиям, то по дальности полета с 5 т бомб нет, что крайне озаботило руководителей государства. И все-таки после ряда доработок решено было принять М-4 на вооружение. Однако командование ВВС требовало улучшить его характеристики. В 1955-1957 годах на самолет установили более мощные и экономичные двигатели РД-3М, а затем РД-3М-500А, созданные в ОКБ под руководством П.Ф. Зубца. Их тяга на максимальном режиме была доведена до 9500 кгс. С новой силовой установкой дальность полета бомбардировщика составила 12500 км. Вскоре началась отработка системы дозаправки самолета в воздухе. В носовой части фюзеляжа над кабиной штурмана установили "штангу" приема топлива. Был разработан и самолет-заправщик с необходимым оборудованием.

Тем временем конструкторский коллектив создал новую модификацию самолета, получившую обозначение "3М". 3М был принят на вооружение и запущен в серийное производство вместо бомбардировщика М-4. В 1959 году экипажи Н. Горяйнова и Б. Степанова установили на нем 12 мировых рекордов высоты полета и грузоподъемности, в том числе подъема с 10 т груза на высоту 15317 м. С поступлением на вооружение новых стратегических бомбардировщиков, выпущенные ранее М-4 переделали в самолеты-заправщики (получили обозначение М-4-2).

Всего было построено 93 самолета М-4 и 3М всех модификаций. В Советском Союзе решено было основные усилия сосредоточить на производстве межконтинентальных баллистических ракет. В связи с сокращением числа стратегических межконтинентальных бомбардировщиков часть машин была переоборудована в летающие танкеры для дозаправки топливом в воздухе остающихся на вооружении ударных самолетов 3М и Ту-95. Они получили обозначение 3МС-2 и 2МН-2 и отличались друг от друга в основном двигателями. На первом стояли ТРД РД-3М-500А, а на втором — ВД-7Б.

К середине 80-х годов все ударные бомбардировщики конструкции В.М. Мясищева были сняты с вооружения и выведены в резерв, а потом ликвидированы на авиабазе в г. Энгельс. Самолеты-заправщики находились на вооружении до конца 1993 года.