На аэродроме ЛИИ была проведена лишь часть совместных государственных испытаний Ту-28 и проверка работоспособности комплекса. Другую часть программы, позволившую оценить боевые качества комплекса, проводили на базе ГК НИИ ВВС во Владимировке (Ахтубинске). Первоначально в полетах участвовали три самолета, затем к ним присоединились еще два. На летной базе в Жуковском остался лишь первый серийный перехватчик, на котором летчик-испытатель А.Д.Бессонов и штурман-испытатель В.Баженов провели полный цикл испытаний силовой установки.
Второй самолет второй серии на госиспытаниях. Под крылом - макеты ракет К-80
Первый прототип Ту-128 занял место в Музее ВВС в Монино
Вместе с перехватчиками на юг страны отправились летчики-испытатели ОКБ-156 М.В.Козлов, С.Т.Агапов, штурманы-операторы К.И.Малхасян, В.Колосов, а также бригада Д.Кантора. К работам по Ту-28 в Ахтубинске привлекли сотни специалистов различных предприятий и организаций (только от ОКБ и ЛИиДБ участвовало свыше 150 человек). Для руководства испытаниями создали Государственную комиссию под председательством маршала Савицкого. На этом этапе на перехватчиках летали военные летчики-испытатели Ю.Рогачев, И.Лесников, Э.Князев, Г.Береговой, И.Довбыш, штурманы-испытатели Н.Мозговой, В.Малыгин, Г.Митрофанов и А.Хализов. Учитывая поступающие замечания, ОКБ-156 и его смежники продолжили доводку самолета и вооружения.
Ту-28 имел широкий диапазон скоростей: от 1910 км/ч без ракет (1665 км/ч с четырьмя ракетами) до посадочной в 280 км/ч. При этом на малых скоростях полета, особенно при выпущенных закрылках, самолет обладал повышенной реакцией по крену на отклонение руля направления, а на сверхзвуке реакция менялась на обратную. На дозвуковых скоростях, особенно при больших скоростных напорах, запас продольной статической устойчивости перехватчика был недостаточным. Подвеска ракет вела к дальнейшему уменьшению этого запаса на дозвуке и к уменьшению путевой и поперечной устойчивости при М>1. Переход через звуковой барьер приводил к возрастанию продольной устойчивости, но одновременно и к значительному уменьшению эффективности руля направления и элеронов, что требовало большого хода штурвала для ввода самолета в крен. Возрастали также шарнирные моменты элеронов и руля направления. Эти особенности Ту-28 потребовали применения нелинейной кинематики в системах продольного и путевого управления, установки гидроусилителей по необратимой схеме. Для улучшения характеристик продольной устойчивости и управляемости на перехватчике установили демпфер в канале тангажа, а также автомат устойчивости и автомат дополнительных усилий для ограничения углов атаки и перегрузки. Для улучшения характеристик боковой динамической устойчивости на самолет поставили демпферы крена и рыскания.
С августа 1962 г. на второй серийной машине начали отрабатывать перехваты бомбардировщика Ту-16. 27 сентября 1962 г. первый опытный перехватчик сбил с задней полусферы самолет- мишень Ил-28М, на следующий день - второй, а в октябре - мишень на базе высотного разведчика Як-25РВ. Через год Ту-28 сбили радиоуправляемые мишени ЯК-25РВ-ІІ.
Наведение перехватчика на цель выполнялось летчиком с использованием системы "Путь-4П". Наземное наведение носителя осуществлялось с помощью автоматизированной системы "Воздух-1 М" как с участием дополнительных наземных пунктов наведения, оборудованных аппаратурой "Каскад-М" и АРЛ-СМ, так и без их участия. Радиотелемеханическая линия АРЛ-СМ обеспечивала прием и отображение на индикаторах и табло летчика и штурмана- оператора команд наведения, передаваемых наземными пунктами управления. По этим командам летчик выводил самолет на цель до момента захвата ее РП-С. Кроме того, по специальным командам осуществлялись автоматическое включение и выключение накала радиоэлектронных ламп ракет К-80 и предварительная ориентация станции РП-С в зоне поиска. Вместо команд наведения на самолет могли быть переданы команды взаимодействия, дававшие экипажу данные новой настройки АРЛ-СМ. Высокие технические характеристики бортовой РЛС и высокая оснащенность Ту-28 пилотажно-навигационным оборудованием позволяли использовать его и в автономном режиме.
Программа летных испытаний комплекса была достаточно обширна, сложна и требовала для выполнения много времени. В ' общей сложности заводские и совместные государственные испытания, включая выполнение доводочных работ, продолжались 40 месяцев. За этот период - с 18 марта 1961 г. по 13 июля 1964 г. - было выполнено 799 полетов. Еще до завершения испытаний на основании имеющихся результатов 10 ноября 1962 г. Госкомиссия дала предварительное заключение для запуска самолета и комплекса в целом в серию, что позволило выигцать время для его освоения. 12 декабря 1963 г. приказом Министра обороны №00134 было изменено официальное название комплекса, самолета-носителя и ракет: комплекс стал называться Ту-128С-4; самолет - Ту-128; ракетам К-80 дали серийное обозначение Р-4Р и Р-4Т (в зависимости от типа головки самонаведения).