东风四号是中国第一个两级液体中远程地地导弹。第一级以东风三号为基础稍加修改；第二级为新设计的。导弹全长29米，最大直径为2.25米，起飞质量为82吨。两级推进剂均用红烟硝酸和偏二甲肼。第一级发动机地面推力为1120千牛，第二级发动机真空推力为320千牛。主要解决了发动机高空点火和高空性能试验技术；级间连接和高空热分离技术；长细比加大后的姿态控制技术。东风四号采用捷联式全补偿制导方案，不但有横向导引，还有纵向导引，方法误差小。为提高制导精度，采用静压气浮技术。
弹头为一枚300万吨三硝基甲苯当量的热核弹头。东风四号导弹的研制成功，对加强中国的战略核力量，掌握多级火箭技术，发展洲际导弹，发射人造地球卫星，开拓空间技术，都起到了十分重要的作用。
方案设计
地地导弹第二阶段的发展途径是以发展多级火箭为中心，研制出洲际导弹。当时在进行洲际导弹进行探索时，设计人员认为，从中程导弹到洲际导弹的跨度太大，中间应有一个技术台阶，设想以中程导弹为基础研制一个两级试验型火箭作为过渡，用以解决洲际导弹必须遇到的多级火箭技术。这个型号稍加改进可以作为发射卫星用的运载火箭。这就是多级试验火箭，代号“SDF-4”。
1965年7月15日，已确定方案的有两级分离、二级弹体结构、二级执行机构、制导系统、稳定系统、地面测试设备、高空发动机输送系统、一级燃气舵等。待定方案有瞄淮、推力调节、头部分离、发射方式等。
研制工作开始后不久，东风三号单管发动机，代号YF-1，用四氧化二氮代替原来的硝酸作为氧化剂进行研究性试车获得成功。“YF-1”的推力和比推力均有一定的提高，因而部分科技人员主张将“YF-1”发动机改换推进剂，同时提出加长推进剂储箱，改进控制系统等措施，研制东风三号甲代替东风四号。与此同时，第一研究院总体设计部又提出将原来提出的东风四号方案改用四氧化二氮和偏二甲肼作为推进剂，提高两级发动机的推力，从而形成了东风四号甲的方案。
在东风四号方案论证阶段，制导系统是关键内容之一。随着导弹射程的增加和飞行状态的变化，对制导和姿态控制系统的要求提高了。20世纪60年代初，科技人员在深入研究了捷联制导系统的线性补偿的理论后，在单补偿方案原理的基础上，从飞行干扰的特点及其对弹道的影响和导弹本身具有测量功能出发，建立了“变参数线性自动控制系统外干扰完全补偿理论”，为中国捷联式制导方案探索出了新途径。
东风四号导弹射程远，因而对惯性器件的精度要求比东风三号高好几倍。惯性器件研究所选择气浮轴承以取代滚珠轴承，其优点是摩擦力矩小，在动态环境下摩擦特性稳定。自1965年开始，该所在研制气浮陀螺和气浮陀螺加速度表的过程中，经过反复试验、设计和加工，研制成功三段式圆柱组合和小锥式整体结构的气浮轴承。这种气浮轴承精度、可靠性高，稳定性好。气浮陀螺和气浮陀螺加速度表的研制成功，是惯性器件技术的一次重要突破。1966年3月，气浮双轴三自由度陀螺仪初样正式投产。
技术攻关
东风四号是中国第一种两级液体导弹。从技术上讲，它最大的难关是突破多级火箭技术。衡量火箭的一个重要技术参数是质量比，即火箭起飞质量与火箭空重之比。质量比越大，意味着推进剂的携带量越大，火箭的飞行时间也就越长，它所能达到的最大速度也就越大。但是，从技术的可实现上看，提高火箭的质量比是有限度的。当火箭质量比达到一定程度，如8-10左右，火箭结构强度和可靠性就会大大下降。另一方面，在火箭不断飞行过程中，推进剂不断消耗，而结构质量不变，火箭的加速能力持续下降。综合起来，单级火箭在工程技术的可实现上，达不到发射卫星所需要的最小速度，即第一宇宙速度。同样的原因，由于单级火箭所能达到的最大速度不高，也就很难达到远程导弹所要求的飞行距离。因此，远程导弹和运载火箭都必须采用多级火箭。多级火箭的级间分离难度很大。
一方面要保证在分离时，火箭能够保持姿态稳定；第二级发动机要实现可靠点火。多级火箭的分离既不能过早，也不能过迟，更不允许该分离而不分离。这就要求它的分离要及时、准确、可靠、安全。通常多级火箭的分离有热分离和冷分离的两种办法。热分离的基本程序是：在第一级工作的末尾，启动第二级发动机，然后关闭第一级发动机，并起爆炸断联结件。这种分离主要靠第二级火箭发动机的燃气流推开第一级，同时又使第二级在启动之前受到轴向推力作用而保证启动的可靠性，因而该方法简便、可靠。到较大的扰动，并且要多消耗些推进剂。
冷分离又称减速分离，它的分离指令程序一般是：在第一级工作的末尾，先使级间联结件爆破断开，然后启动第一级的制动火箭或其他制动装置，再启动第二级的火箭发动机。在这种情况下，级间分离机构的组件少、也较轻，工作过程不会受到很大的轴向、侧向、振动等作用力的影响，级问分离平稳。但是，这种分离方式，对于控制系统的精度要求较高。
东风四号是中国第一种两级火箭，为保证级间分离的可靠性，因而决定采用可靠性较高的热分离方案。通过分离运动学计算，级间气动力和气动热计算以及级间分离风洞试验和一比一地面分离试验等一系列研究和试验，选择合理的分离程序。同时在结构上采用斜拉金属杆式级间段，中间保留了很大的空隙，以便于第二级喷焰能顺利排出；在第一级推进剂储箱前底上，安装玻璃钢隔热层，以防在两级分离时二级发动机燃气流烧穿一级储箱前底。分离姿态控制技术同样是一个新课题。由于先点火、后分离，在分离过程中姿态控制系统不能立即接通，而使导弹处于暂时失控状态。在分离干扰作用下可能产生较大的姿态角偏差。为防止二级起控时舵角饱和，在可能出现较大分离干扰的波道中，控制系统放大倍数在开始几秒取低于额定值，这样级间分离段姿态能始终保持稳定，从而解决了分离的状态控制问题。
东风四号二级发动机YF-3与一级单管发动机YF-1相比有较大变化与改进：涡轮泵固定在推力室身部侧面；使用了承压能力高的蝶形膜片式的气动活门；用小机架把推力传递到储箱锥底；工艺上首次大量采用精密铸造零件，提高了质量和性能，同时还采用爆炸成型工艺，生产出集合器弯管等组件；采用了大面积比的玻璃钢喷管延伸段；推力室头部再生冷却隔板改用燃料冷却，使氧化剂全部流经推力室身部等。
由于YF-3是在接近真空条件下工作的，为了充分发挥高空发动机的效能，采用了大面积比的喷管，这样可使燃气充分膨胀，从而提高了发动机比推力，使推进剂的化学能最大限度地转化成发动机的动能。在方案论证阶段，曾选择辐射冷却化铣钛合金喷管与烧蚀玻璃钢喷管两种方案。一院211厂试生产的强力旋压成型的钛合金喷管延伸段先后通过了6次热试车考验。但由于钛合金板材加工难度大，报废率高，造价昂贵等原因，此方案最后被放弃，改用玻璃钢喷管方案，由建材部251厂试制。玻璃钢喷管取材易，成本低，并可使喷管外壁工作温度低，对导弹尾舱内的仪器和舵机的那个的热影响小。开始试制是采用低压固化玻璃布带工艺，在发动机热试车中，喷管延伸段多次断裂，导致试车失败。材料工艺研究所提出高压固体工艺，并采用改变树脂配方、改进生产工艺等措施后，解决了延伸段问题。
YF-3是中国第一台高空发动机，工作在60千米以上高空。保证发动机高空顺利点火启动成了研制工作中的重大技术难关。在张贵田主持下，液体火箭发动机研究所科技人员从实际出发，根据发动机燃料和氧化剂相遇就自燃点火的情况，经过研究分析和反复试验论证，提出了解决方案：为二级发动机造成一个在高空跟地面一样的点火环境，并进一步改造了发动机有关系统，保证两组元进入燃烧室有合适的时差，并采取在燃烧室喉部粘合堵盖、副系统加薄膜等措施，确保发动机启动时，所有腔道均保持有与地面相同的点火环境。这样，推进剂二组元既能够可靠点火，又不会出现爆燃。
东风四号导弹射程远，测速精度要求高，特别是对试验场及航区的安全控制要求严，原有的以光学设备为主体的测量系统已不能满足飞行试验的要求，必须建立以无线电设备为主体、光学设备相配合的新的测控体系。
导弹飞行的外弹道测量参数较少，要了解火箭发动机、控制系统的工作情况，必须发展遥测技术。在研制“154”无线电测量系统的同时，导弹试验的遥测技术也有很大进展。弹上首次采用电子交换子，地面记录设备首次采用磁记录器，事后数据处理首次采用计算机快速处理，大大提高了处理效率。1969年11月，该系统参加了东风四号导弹首次飞行试验，圆满地完成了接收、解调、记录遥测信号的任务。在以后的洲际导弹飞行试验中，又成功地用于主动段弹体遥测参数的测量。
为了提高遥测弹头测量的可靠性，采取了多种手段并用的技术途径。东风四号遥测弹头采用硬回收、弹射回收和中速率无线电遥测三种手段，在试验过程中均获得成功。硬回收技术，在反复研究、试验后，采用多层复合结构的硬回收装置，磁带保护良好，记录参数得以重发。
参照东风三号大型试验的经验，东风四号导弹从1967年至1969年，进行了较充分的各种大型综合性地面试验。除了常规的全弹振动和全弹电气系统匹配试验外，还进行全尺寸晃动试验，以确定储箱中推进剂晃动的动力特性及防晃装置的阻尼特性。全弹试车和第二级简易试车进行了6次。简易试车主要检验储箱共底、锥底方案及动力装置系统方案。全弹试车是各系统在地面进行一次比真实略为苛刻的动力环境条件下的综合性检验和考核。通过一系列试验，取得丰富的资料和数据，为飞行试验打下良好的基础。
技术改进
东风四号导弹首次发射试验确定为“短程总体方案验证”试验，在酒泉试验基地进行塔架发射，旨在考察总体设计方案的可行性，重点考核两级分离和第二级发动机高空点火性能。1969年10月，01号导弹在发射阵地进行最后的准备时，由于发生一级发动机断流活门误爆事故，导致必须更换一级发动机的重大事故。经检查，事故是由于测试路线设计不周所致。这枚导弹在更换发动机后转技术阵地重新测试，因而没有参加首次飞行试验。
在飞行中第一级未关机，第二级未点火，两级未分离，导弹自毁，试验失败。经检查，试验失败的原因是飞行中程序配电器中途停转，主要是设备的质量问题所致。导弹既存在着技术和工艺质量问题，加上在试验基地检测时，操作失误和处置也有不当之处。为此，全体参试人员深入总结经验，认真贯彻“严肃认真，周到细致，稳妥可靠，万无一失”的试验方针，进行了大量的单机试验和多次系统检查测试，排除了系统之间出现相互干扰等故障和隐患。对程序配电器采取提高可靠性措施并增加第一级关机时间备保信号，以确保两级能够按计划正常分离。
为了进一步检验东风四号导弹的战术技术性能，随后开始长程试验，并考核井下加注、井口发射方案及武器系统性能。与之前的东风系列导弹相比，井下加注、井口发射方案大大减少了导弹在地面的暴露时间，提高了生存性能。
东风四号导弹从研制到定型长达18年之久，比原定的研制计划大大推迟，影响了部队的装备时间。除了中间一度下马，拖延了研制进度外，在整个研制过程中，由于增大射程、改变发射方式，导弹的技术状态做了多次重大修改，每改一次就要增加一个批次的飞行试验，使得整个研制周期拉长。一个导弹武器系统，战术技术指标要充分论证，尽量不要在研制过程中修改指标，从而避免修改总体方案，改变技术状态，拖延研制周期。
装备部队
早在1968年，东风四号首次发射试验前，二炮就决定两个团准备转型东风四号，1970年10月又决定组建了第三个“东四”团，当时部队急需这种能打到苏联欧洲地区和美国关岛的中远程导弹。然而由于东风四号的研制进程一再延迟，部队长期处于等待装备的尴尬状态。甚至直到东风四号定型后，由于配套装备未能及时到位，部队在一段时间内仍无法进行系统训练。因此，东风四号直到80年代后期才开始形成战斗力。
