В I960 году появился всепогодный сверхзвуковой двухместный перехватчик, массой 43600 кг, снащенный двумя двигателями АЛ-7Ф-2 конструкции А.М. Люльки с тягой по 10100 кгс на форсаже. Его вооружили четырьмя ракетами Р-4 класса «воздух- воздух». 18 марта 1961 года летчик-испытатель М.В. Козлов приступил к испытаниям, которые продолжались до 6 мая 1972 г. При них самолет развивал на высоте 12000 м максимальную скорость 1600 км/ч, а у земли 850 км/ч. Потолок — 15600 м. Дальность полета с четырьмя ракетами 2000км.

Представленный в музее опытный самолет Ту-128 налетал 398 часов 35 мин., а 2 февраля 1973 года авиационное предприятие передало его, уже как выработавший технический ресурс, Музею ВВС.