23 января 1962 г. экипаж во главе с летчиком-испытателем И.М. Сухомлиным (второй пилот — А.С. Липко, штурманы — П.Н. Руднев и А.Г. Иксанов, бортинженер — А.И. Дралин) совершил на самолете Ту-126 первый вылет. Первые семь испытательных полетов, в ходе которых определялись летные характеристики Ту-126, были выполнены с макетом радиолокационной станции (РЛС) ？Лиана？, затем в подмосковном г. Луховицы на машину была установлена реальная РЛС.
В 1950-х годах прикрытие северного направления — одного из наиболее вероятных, откуда над территорией CCCP могли появиться американские стратегические бомбардировщики — путем развертывания сплошной сети наземных средств радиолокационного наблюдения представляло серьезнейшую проблему, так как требовало огромных финансовых затрат и времени. Выход был найден в создании мобильных систем дальнего радиолокационного обнаружения (ДРЛО), размещаемых на самолетах. Постановлением Совета Министров CCCP № 608-293 от 4 июля 1958 г. и приказом ГКАТ № 211 от 17 июля того же года были определены первые требования к самолету и комплексу.
Выбранная для установки на самолет РЛС ？Лиана？ в то время считалась настоящим чудом техники. Согласно заявленным данным она позволяла обнаруживать воздушные цели на дальностях от 100 до 350 км (в зависимости от их размеров) и морские цели типа крейсер — на дальности до 400 км. Бортовая телекодовая аппаратура могла передавать полученные сведения на командные пункты противовоздушной обороны (ПВО) и ВМФ, расположенные на удалении до 2000 км. Чтобы обеспечить круговой обзор, антенная система РЛС ？Лиана？ была установлена над фюзеляжем на пилоне высотой 2,6 м и в процессе работы вращалась со скоростью 10 об./мин. Так появился первый в мире самолет ДРЛО с вращающимся грибовидным обтекателем РЛС, что стало подлинным техническим новшеством, заимствованным позже американскими специалистами.
В 1965 г. самолет был принят на вооружение, и в следующем году началось поступление первых машин в 67-ю отдельную авиационную эскадрилью ДРЛО, которая базировалась под Шауляем (Литовская CCP).
Практически самолет Ту-126 решал два вида задач: обнаружение и проводку воздушных целей, а также ведение радиотехнической разведки. Полученные данные по телекодовой связи передавались на пункты приема, расположенные в пос. Васьково (Архангельская обл.) и Североморске (Мурманская обл.), далее в Москву и по системе ？Воздух-1？ — всей системе ПВО CCCP.
Экипажи самолетов Ту-126 отрабатывали взаимодействие с перехватчиками Як-28П. 67-я отдельная авиационная эскадрилья принимала участие и в крупных учениях, например, ？Океан？ в 1970 г. Но в основном полеты выполнялись по заданию штаба 10-й отдельной армии ПВО, иногда по заявкам Северного флота. Постоянного боевого дежурства организовано не было, хотя в части всегда имелись готовые к вылету машины.
С 1984 г. авиапарк самолетов ДРЛО стал заменяться на новые самолеты дальнего радиолокационного обнаружения и наведенияА-50, которые стоят на вооружении и в настоящее время.