В ВВС стали формироваться вертолетные полки, в каждом из которых насчитывалось до 60 машин. Столь большой состав объяснялся как раз необходимостью оперативной переброски значительного количества войск через радиоактивные зоны. Однако первыми ответственными заданиями для экипажей «четверок» стало участие в воздушных парадах. В 1953 г. к показу подготовили 24 вертолета, а в августе 1954 г. в Тушино с тридцати шести Ми-4 был высажен крупный десант с автомобилями и легкой артиллерией.
В строевых частях машину быстро освоили. Она оказалась неприхотливой в обслуживании, не нуждалась в сложном наземном оборудовании, что обеспечивало автономность применения. Примером может служить эпизод из летной практики одного из авторов. Три вертолета его эскадрильи, базировавшейся в Западной Украине,откомандировали на Кубань для обслуживания автобата, работавшего на уборке сахарной свеклы. Ми-4 перелетели в Краснодар своим ходом, где базировались на аэродроме летного училища. Работали по вызову, а «точками подскока» служили, как правило, стадионы и школьные дворы в станицах. Проблем с техническим состоянием вертолетов практически не возникало - лишь однажды пришлось долить в аккумулятор дождевой воды да устранить неисправность радиостанции РСИУ-ЗМ. Конечно, в эксплуатации Ми-4 не был абсолютно безгрешен. Например, резиновые уплотнения втулки и автомата перекоса в сильные морозы теряли эластичность, и верхняя поверхность вертолета покрывалась черной масляной пленкой, которую приходилось смывать с большим трудом.
Двигатель АШ-82В, хоть и требовал от техсостава должного внимания, в целом обладал отличными эксплуатационными характеристиками, сохраняя работоспособность при потере герметичности подвода топливно-воздушной смеси, прогаре поршней и т.п. Особенно ценным качеством этого мотора была его отличная приемистость, которая в ряде случаев буквально спасала вертолеты от тяжелых происшествий. Так, во время ночного полета в сложных метеоусловиях потерпел аварию один из Ми-4АВ. Экипаж находившейся в воздухе второй «четверки» получил приказ отыскать терпящих бедствие. Когда разбитая машина была найдена, и летчики пытались, пользуясь светом фары, приземлиться рядом, прямо перед собой они внезапно увидели провода ЛЭП. Мгновенно среагировав, они взяли рычаги общего шага на себя. Двигатель взвыл, и Ми-4, легко «перепрыгнув» ЛЭП, ушел на второй круг. Будь это вертолет с газотурбинными двигателями - еще одно летное происшествие стало бы неизбежным.
У разбившейся машины на высоте 900 м произошло снижение оборотов двигателя, вызванное потерей масла из-за некачественной установки заглушки датчика температуры. Обороты несущего винта упали, вертолет снизился. Так как по условию прочности лопастей при уменьшении частоты вращения винта летчик обязан уменьшить и его шаг, то это привело к еще большей потере высоты. Загорелось аварийное табло «отказ генератора». О случившемся экипаж доложил руководителю полетов, но получил приказ тянуть к аэродрому, т.к. энергии аккумуляторов хватало на 20 мин. Однако вскоре вал двигателя заклинило, мотор остановился, и летчики перевели несущий винт на режим авторотации. В том полете в левом кресле сидел замполит эскадрильи, а командир - в правом. Как более опытный летчик, он взял управление на себя и одновременно попросил замполита проверить исправность посадочной фары, пульт управления которой располагался на левом электрощитке. Убедившись в ее работе, замполит вместо СПУ ошибочно обратился к командиру по радио: «Все горит». Услышав это, руководитель полетов переполошился: «У кого, что горит?», и не получив ответа, распорядился очистить зону аэродрома. В этот момент командир гасил скорость снижения, выбирая на себя рычаг общего шага. Внезапно он отчетливо увидел прямо по курсу ту самую ЛЭП. Отклонив ручку управления влево, он попытался избежать столкновения с проводами. Это удалось, но накрененный вертолет задел лопастями землю и перевернулся. Продуманность компоновки Ми-4 позволила членам экипажа отделаться легкими ушибами.
В 1967 г. два Ми-4АВ приняли участие в войсковых учениях «Днепр», после чего вертолетные подразделения стали широко применяться в подобных маневрах. В этот период предпринимались попытки придания вертолетных полков танковым корпусам, но по ряду причин эта прогрессивная идея оказалась бесплодной. При подчинении авиаторов сухопутному командованию их переодели в сапоги и полевую форму, увеличили количество часов строевой подготовки, делались попытки вносить коррективы в организацию полетов. Многие из этих мероприятий противоречили руководящим документам по эксплуатации авиатехники, к тому же армия оказалась не готовой к снабжению вертолетчиков расходными материалами и запчастями.
Вероятно, крещение огнем Ми-4 прошли в октябре-ноябре 1956 г. в Венгрии, где они использовались советскими войсками для разведки, снабжения изолированных гарнизонов, эвакуации раненых. Западная пресса, ссылаясь на свидетельства эмигрантов, отмечала, что при захвате одного из аэродромов с Ми-4 был высажен десант. Оборонявшиеся уничтожили три машины. Ми-4 использовались и при вторжении в Чехословакию в августе 1968 г. Кроме разведки, их применяли для переброски групп захвата и транспортных перевозок. Одна из машин была сбита. Все находившиеся на борту погибли.
В ходе столкновений на советско-китайской границе на Ми-4 эвакуировали раненых, доставляли подкрепления, продовольствие и боеприпасы. В 1974 г. Ми-4 погранвойск, осуществлявший патрульный полет вдоль границы, в условиях плохой видимости совершил вынужденную посадку на территории КНР. Экипаж и машина были задержаны местными властями. По прошествии некоторого времени пограничников и вертолет возвратили советской стороне.
К моменту распада СССР сохранившиеся Ми-4 представляли собой, в лучшем случае, музейные экспонаты либо наглядные пособия для подготовки специалистов. Естественно, в таком состоянии они не могли принять участие в конфликтах, вспыхнувших в южных республиках бывшего Союза.
Пассажирские перевозки. Появление Ми-4П позволило организовать регулярные вертолетные линии. В 1959 г. они появились в Крыму, на Черноморском побережье Кавказа, между Баку и поселком. Нефтяные Камни. На последней, выполняя до 25 рейсов в день, к 1965 г. перевезли около 400 тысяч пассажиров, причем полеты совершались при скорости ветра до 16 м/с (перевозки на катерах прерывались при ветре 7-10 м/с). Появились вертолетные линии в Московской и Волгоградской областях, в Закавказье и горных районах Азербайджана, в Сибири и Таджикистане.
В 60-е - начале 70-х гг. на Ми-4 пришлась значительная доля авиаперевозок при интенсивном освоении отдаленных районов азиатской части СССР. В Западной Сибири, на БАМе, при строительстве ГЭС на крупнейших реках страны «четверки» осуществляли грузо-пассажирские перевозки, будучи самым надежным, а зачастую и единственным средством связи с «Большой землей».
Грузовые перевозки. Благодаря удачно продуманной конструкции, высокой надежности и неприхотливости Ми-4 стал «воздушной полуторкой» 60-х годов. Ассортимент грузов, транспортируемых в кабине и на внешней подвеске, был столь велик, что только его перечисление заняло бы не одну страницу. Так, в Узбекистане в 1962 г. на новые пастбища на вертолетах перевезли тысячи овец. На Камчатке, когда ягель оказался подо льдом, и стадам оленей грозила гибель, на Ми-4 организовали доставку комбикорма. В горах Грузии при строительстве плотины на реке Пацкнара Ми-4 доставлял бетон и прочие стройматериалы. Рейс занимал 7 мин., что было в 22 раза быстрее, чем на автотранспорте. За смену вертолет перевозил 25 т грузов.
Несмотря на его высокую арендную стоимость, транспортные расходы на стройке уменьшились более чем в 10 раз. Необычную работу проделала «четверка» в прудовом хозяйстве «Пуйга» в 45 км от Вышнего Волочка. Ранее мальков из пруда в пруд доставляли наземным транспортом по бездорожью, и в долгом пути рыба гибла. Ми-4 брал по 50 ящиков с карпами-годовиками и за несколько минут доставлял их к нужному водохранилищу. Работа, занимавшая 40 дней, была выполнена за 2 дня.