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。
1966年4月5日，七机部一院确定，在上述三种方案的基础上进一步开展东风四号方案论证。经过辩论，在各分系统提出的三个方案的基础上，该院办公会确定，鉴于东风四号研制一年多了，工作已全面铺开，无论指标和进展都已落实，决定仍按东风四号方案继续开展工作。5月31日，完成了东风四号的方案设计。其中包括：提出了总体方案;确定了各分系统的主要方案，并相互提供了初步设计所需要的条件;确定了大型试验方案;提出和落实了必要的预研项目和试验项目。
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。1965年8月，七机部一院召开了控制系统方案论证会，反复分析了东风四号采用捷联全补偿方案的利弊，认为采用捷联式全补偿制导系统加横法向导引控制，方法误差小，可以满足精度指标要求。它是在东风二号、东风三号制导方案基础上的进一步完善，技术比较成熟。当年11月，一院办公会议决定，东风四号采用捷联全补偿方案。这一方案不但有横向导引，还有法向导引，以保证导弹的制导误差更小。姿态控制系统研制的关键在于解决大长细比两级导弹弹性振动和晃动的稳定性，以及一、二级分离时产生的干扰对二级起控段稳定性的影响等问题。控制系统研究所采取选择合适位置安装俯仰、偏航速率陀螺和在飞行过程中改变校正网络等措施，妥善地解决了弹性振动与晃动的稳定性问题。
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。
