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。
1966年3月3日，YF-3发动机首次全系统试车成功。10月8日，首次100秒长程试车获得成功。为了取得二级发动机高空性能参数，考核发动机的高空点火和工作情况，需要进行发动机的高空环境试验。液体火箭发动机研究所设计了一个抽真空扩散试验舱作为发动机高空模拟试验装置，利用发动机喷焰喷射抽空作用，在试验舱内形成高空低压环境。1966年9月，高空模拟试验装置研制成功，11月2日，首次进行的二级发动机高空模拟试验，获得了高空性能参数，高空推力达到290千牛，完全满足火箭二级对发动机推力的要求（后提高到320千牛）。以后，又多次进行改进设计和地面试车，并经导弹飞行试验考验，证明二级发动机工作可靠，选定的点火方案可行。
为了减少东风四号的长度和结构重量，第二级的储箱采用了先进的共底储箱方案，同时还采用了锥形承力后底，使发动机推力直接作用在箱底上。共底储箱结构一是要防止渗漏；二是要防止共底受负压。因为一旦发生破裂和渗漏，两种推进剂碰到一起就要爆炸。因此要按外压设计共底；生产中要有严格的检漏措施。二级箱体共底叉形环和壳段的焊接处空间太窄，不能用气动涨圈撑圆来保证焊接前的装配质量。一院211厂反复试验后，用特殊的对接接头形式解决了储箱的拼底焊接问题。
七机部一院还与协作单位共同努力，解决了弹头高速再入防热的问题。东风四号弹头采用高硅氧/酚醛材料模压端头体、端头帽和天线窗，大面积防热层采用高硅氧/酚醛材料重叠缠绕、常压固化工艺。核战斗部（代号512）由核武器研究院负责研制，为300万吨当量的热核弹头，在东风三号弹头基础上改进而成。
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。
1965年3月，根据东风四号导弹和东风五号洲际导弹的研制试验计划，酒泉导弹试验基地向国防科委提出了研制无线电弹道测量和试验场安全系统的申请。6月，国防工办、国防科委联合给四机部下达了研制任务，代号为“154工程”。该工程由十院19所负责技术抓总，由该所魏鸣一任总设计师。154工程分两期进行。一期工程采用连续波短基线干涉仪测速、单脉冲雷达定位混合体制的中精度无线电外弹道测量系统，以满足东风四号导弹飞行试验的需要。一期工程包括8个分系统：连续波测速分系统、单脉冲雷达定位分系统、引导分系统、时间统一分系统、安全控制分系统、弹上设备分系统、数据传输分系统和电波传播特性研究。
在国防科委154工程办公室的组织协调下，各研制和生产单位密切配合，于1969年10月研制出中国第一套无线电弹道测量系统，并于11月参加了东风四号中远程地地导弹的首次飞行试验。在试验过程中，“154”无线电弹道测量系统基本上完成了弹道测量任务，表明中国研制的无线电测控系统是成功的。1970年4月，该系统又参加了东方红一号人造地球卫星发射时对运载火箭主动段的测量，以后又多次参加了东风四号的发射试验，都完成了任务。该系统作为中国早期的无线电测控系统，在研制方案中，暂时避开了一时难以解决的连续波定位技术，不仅缩短了研制周期，而且还有利于集中力量突破相位锁定、基线电缆传输、单脉冲体制应用和液压伺服传动等关键技术。
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。七机部一院704所首次研制成功BWY-3型大容量无线电遥测系统。该系统信道容量大，可同时测量100多路缓变参数、10多路速变参数和特征时间参数。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。
自从1966年5月31日国防科委、中国科学院、七机部共同商定发射中国第一颗人造卫星的运载火箭长征一号以中远程导弹为基础，加装第三级固体火箭而成后，人造卫星计划就与中远程导弹紧紧地联系在一起，因而受到中央的高度重视。1967年11月23-24日，国防科委和国防工办联合决定，要求七机部一院在1968年4月进行中远程导弹全弹试车，5-6月进行合练，7月开始飞行试验，力争1968年国庆节前发射卫星。1968年1月4日，中央专委办公室通知：中央专委第十九次会议确认：东风四号是一个重要型号，不能放弃，不能动摇。要积极调整力量，安排落实，并要求争取在1968年发射第一颗人造卫星。
在东风四号进行大型试验的关键时期，七机部的科研工作受到“文革”的很大干扰和破坏。为克服“文革”造成的影响，周恩来于1969年4月9日、5月7日、5月10日三次召见七机部一院与东风四号全弹试车的有关人员，进行耐心细致的说服工作。他明确指出，试车是关系国家荣誉的大事，任何人不得干扰。为了明确责任，确保产品质量，按计划研制，他要求承担研制任务的人员服从指挥，坚守岗位。在周恩来的直接过问下，5月19日和6月4日东风四号一、二级试车均获成功。
1969年7月17日、18日、19日和25日，周恩来又连续召开会议，解决长征一号火箭二级和三级的地面试车问题，并委派钱学森处理有关试车事宜。并要求参加东方红一号卫星发射工程的29个单位共计3456人必须坚守岗位，服从指挥。
1969年7月30日，七机部一院提出东风四号01批一组飞行试验大纲。8月22日国防科委批复同意。同年8月27日，第一枚东风四号试验弹出厂，运往酒泉基地，准备进行飞行试验，负责首次试验的技术指挥是任新民。东风四号的试验不仅关乎中国第一种中远程导弹的研制成功，也直接影响到长征一号能否发射成功中国的第一颗人造地球卫星。另外，由于东风四号的射程增大，在试验时是否会由于控制系统故障而使导弹飞出国境也是要考虑的重大问题。为此，周恩来在发射前专门听取了汇报，详细询问了导弹的质量和所采取的飞行安全措施。
