Конечно, «фирма» заранее готовилась к этой работе. Первоначально рассматривались три варианта вертолета:
1) однороторный с двигателем АШ-62 взлетной массой 4200 кг;
2) двухроторный продольной схемы с двумя АШ-62;
3) однороторный с АШ-82 взлетной массой 6200 кг.
5 октября 1951 г. Постановление правительства было подписано. В нем уточнялись параметры машины: возможность перевозки внутри фюзеляжа 57-и 76-мм пушек, автомобилей ГАЗ-69 и «Победа», наличие боковой двери и хвостового люка. Вооружение должно было состоять из одного пулемета ТКБ-481М с боезапасом 150 патронов. Тот же документ определял завод № 3 в подмосковных Люберцах производственной базой ОКБ Миля, а самого Михаила Леонтьевича - его руководителем. Для серийного производства выделялся авиазавод в Саратове. Конструкторы почти год трудились по 14-16 часов в сутки, но, несмотря на спешку, работа выполнялась на весьма высоком уровне. В конце 1951 г. был построен макет и проведена макетная комиссия, в ЦАГИ передали продувочную модель вертолета и приступили к выпуску рабочих чертежей.
При выборе общей компоновки В-12 своеобразным ограничителем области поиска стал громоздкий поршневой двигатель. Расположение его за редуктором не оставляло места для грузовой кабины, установка над кабиной приводила к непомерному увеличению высоты вертолета. Наиболее удачным признали расположение АШ-82 в носовой части фюзеляжа (подобную компоновку имел и 5-55).
Первоначально собирались использовать двигатель мощностью 1000 л.с., разработку которого предполагалось поручить ОКБ А.Г.Ивченко. Но взаимоотношения Миля и Ивченко еще при создании Ми-1 сложились не лучшие, и альтернативой стало применение вертолетного варианта двигателя АШ-82. А.Д.Швецов, желая расширить область применения своей техники, принял предложение Миля и взялся доработать не только мотор, но и сделать редуктор. Правда, вертолетчиков поначалу пугала большая мощность АШ-82 (1700 л.с.), но время показало, что успех Ми-4 в немалой степени был связан именно с ним.
При разработке АШ-82В (вертолетный вариант)потребовалось создать систему запуска и опробования двигателя на земле без передачи крутящего момента, для чего мотор снабдили двумя муфтами: сцепления и фрикционной. Для охлаждения при работе на земле и во время висения двигатель оснастили осевым вентилятором и сконструировали специальные внутренние капоты для организации воздушного потока.
Принципиальную схему и предварительную компоновку главного редуктора Р-5 выполнили инженеры А.К.Котиков и В.Т.Корецкий. Это был первый отечественный авиаредуктор, рассчитанный на крутящий момент более 6000 кг-м. В эксплуатации он проявил себя как исключительно надежный агрегат и практически не подвергался доработкам. С незначительными изменениями использовался на вертолете Як-24.
При проектировании втулки несущего винта и автомата перекоса учли опыт создания и эксплуатации Ми-1. Компоновку втулки выполнили А.Э.Малаховский иМ.А.Лейканд. Горизонтальные шарниры расположили так, чтобы нагрузка на их подшипники на наиболее тяжелых и продолжительных режимах полета оказалась примерно одинаковой. Все шарниры снабдили резиновыми уплотнениями. Карданный механизм управления углами установки лопасти не предусматривался. Осевой шарнир скомпоновали так, чтобы лопасть крепилась к его наружному корпусу глухим днищем. При вращении несущего винта центробежная сила прижимала смазку к глухому днищу, не продавливая ее через уплотнения с противоположной стороны. Это резко снизило потери смазки и позволило применять жидкие масла, что увеличило ресурс упорных подшипников. Для уменьшения свеса лопастей применили центробежные ограничители. Демпферы вертикальных шарниров, как и на Ми-1, остались фрикционными. Конструкция автомата перекоса по сравнению с Ми-1 значительно упростилась. Ми-4 стал первым в мире вертолетом, в систему управления которого включили гидроусилители (бустеры), и первым в СССР летательным аппаратом с необратимым бустерным управлением**. Проектированием этой системы занимался И.С.Дмитриев. Ведущим конструктором машины назначили М.Н. Пивоварова. К 12.03.1952 г. выпуск рабочих чертежей был завершен. Два опытных вертолета строились в Люберцах и еще два - в Саратове, причем один из них - для ресурсных испытаний.
30 апреля 1952 г. в Подмосковье началась серия испытаний В-12 на привязи. При первой же раскрутке несущего винта до 100-110 об/мин лопасти начали произвольно взмахивать с возраставшей амплитудой и, изгибаясь, грозили задеть фюзеляж. Несомненно, это был флаттер, хотя по расчетам он мог наступить только при частоте вращения 500 об/мин, что поставило в тупик многих специалистов, которые даже отказывались признать это грозное явление. Однако М.Л.Миль, поручив теоретикам разобраться в причинах, без колебаний назвал увиденное флаттером и спроектировал балансиры, которые на следующий день установили на лопастях. Взмахи прекратились.
Первый свободный полет выполнил летчик В.В.Винницкий. С июля по август прошли заводские испытания, в ходе которых В-12 выполнил 57 полетов. Одновременно в Саратове прошли трехсотчасовые ресурсные испытания статмашины. В июне оттуда прибыл второй летный экземпляр вертолета, оснащенный экспериментальными шумопламегасителями на выхлопных трубах.
С 12 сентября по 16 ноября В-12 выполнил 117 полетов по программе госиспытаний. В целом по своим ЛТХ вертолет соответствовал заданию. Выявились и дефекты: недостаточная прочность лопастей, самопроизвольное разъединение валов трансмиссии, повышенный износ текстолитовых втулок горизонтальных шарниров рулевого винта, неэффективное продольное управление (из-за ограниченного диапазона отклонений лопастей автоматом перекоса), а также малый зазор между концами лопастей несущего винта и хвостовой балкой. На ликвидацию обнаруженных дефектов потребовалось около полутора месяцев. Одновременно по требованию госкомиссии провели испытания на полную выработку ресурса (150 ч) основных агрегатов вертолета.
В декабре 1952 г., не дожидаясь подписания акта по госиспытаниям (состоялось лишь 28.05.1953 г.), в Саратове начали серийное производство вертолета, получившего обозначение Ми-4. С 1953 г. к его выпуску подключили Казанский авиазавод, который вскоре стал головным. Производство Ми-4 в СССР продолжалось до 1966 г.