Самолёт мог находиться в воздухе в течение 11 часов, имея практическую дальность 7000 км. В дальнейшем предполагалось увеличить дальность и продолжительность полёта за счёт системы дозаправки топливом в воздухе по схеме «шланг – конус». На этапе эскизного проектирования предлагалось разместить на Ту-126 дистанционно управляемую кормовую пушечную установку под две 23-мм пушки АМ-23 с прицельной радиолокационной станцией «Криптон», но по мере проработки проекта и анализа вариантов использования комплекса от этой идеи отказались. В дальнейшем в хвостовом отсеке разместили аппаратуру РЭП.
Для охлаждения радиоэлектронной аппаратуры под фюзеляжем предусмотрели специальный воздухозаборник. Для улучшения путевой устойчивости под хвостовой частью фюзеляжа установили дополнительный гребень.
Осенью 1961 г. первый опытный образец Ту-126 был построен и передан на совместные испытания. 23 января 1962 г. экипаж во главе с лётчиком-испытателем И.М. Сухомлиным совершил на нём первый полёт. Первый этап испытаний продолжался до 8 февраля 1964 г., на нём в основном доводился комплекс «Лиана», а также определялась совместимость работы различного радиоэлектронного оборудования. На втором этапе, закончившемся в ноябре 1964 г., проверялись взаимодействие Ту-126 с наземными и корабельными командными пунктами, надёжность передачи информации и отрабатывались совместные действия с силами ПВО, в том числе с истребителями-перехватчиками. В ноябре 1963 г., ещё до окончания испытаний, самолёт и комплекс в целом были запущены в серию.
После завершения испытаний и доводки Ту-126 в апреле 1965 г. приняли на вооружение ПВО. С того же года началась сдача заказчику серийных машин. На них была установлена система дозаправки топливом в полёте, аналогичная применявшейся на бомбардировщиках Ту-95. Приёмная штанга размещалась в носовой части фюзеляжа. Оборудование РЭП постепенно менялось в ходе производства. В 1965 г. завод выпустил два самолёта, в 1966 г. и 1967 г. – по три; всего, таким образом построили девять Ту-126, включая опытный образец.
Длина самолёта (вариант без УХО) 54,1 м
Размах крыла 51,1 м
Высота самолёта 15,5 м
Взлётная масса 171 000 кг
Максимальная скорость на высоте 9000 м 790 км/ч
Крейсерская скорость 650 – 700 км/ч
Практический потолок 10 700 м
Практическая дальность полёта 7000 км
Продолжительность полёта 10 – 11ч
Практическая дальность с одной дозаправкой 10 000 км
Продолжительность полёта с одной дозаправкой 17 – 18ч
Все серийные машины поступили на вооружение одной авиационной эскадрильи, базировавшейся в Шяуляе, в Литве. После того как эти самолёты были замечены западными разведками, они получили в НАТО кодовое название «Мосс».
После начала их эксплуатации рубеж обнаружения целей был вынесен более чем на 2000 км, причём, учитывая скорость самолёта, этот рубеж мог быть создан в любом направлении не более чем за три часа. Мобильность Ту-126 позволяла маневрировать по глубине и направлению, обеспечивая наращивание средств ПВО в любой точке на любом театре военных действий, что при гигантских размерах СССР было крайне важно. Например, для переброски самолётов с Кольского полуострова в район Владивостока требовалось всего 10 часов. Действия Ту-126, патрулировавших на большой высоте, мало зависели от погоды, в то время как действия кораблей радиолокационного дозора могли быть сильно затруднены при шторме, дожде или снеге. Они могли выполнять свои функции над Северным Ледовитым океаном, где решение задач радиолокационного дозора наземными и корабельными средствами в то время было практически невозможно.
Особенностью Ту-126 являлась малая уязвимость при выполнении боевой задачи. Она обеспечивалась тем, что этот самолёт не мог быть уничтожен ракетами с пассивными радиолокационными системами наведения. Существовавшие в то время ракеты «воздух – воздух» или «поверхность – воздух» были малоэффективны при борьбе с ним, так как он сам их обнаруживал задолго до подлёта с помощью бортовой РЛС и средств радиотехнической разведки. Это позволяло выполнять маневр и срывать захват цели специальной аппаратурой. Ту-126 мог осуществлять функции разведчика корабельных соединений, имевших в своём составе авианосцы. Достаточно высокая скорость полёта давала ему возможность избежать перехвата палубными истребителями.
В ходе эксплуатации Ту-126 дооснащались дополнительными средствами радиотехнической разведки, совершенствовалась система связи с наземными командными пунктами, на части самолётов смонтировали унифицированные хвостовые отсеки (УХО) с аппаратурой РЭП.