Z dwóch rozpatrywanych rozwiązań, nieruchomej anteny na pylonie zamontowanym na kadłubie samolotu oraz obracającego się dysku z umieszczoną wewnątrz anteną, również na pylonie, wybrano drugie rozwiązanie. Samolot nie był uzbrojony, wyposażono go jedynie w pasywne i aktywne systemy przeciw-radiolokacyjne. Do swojego pierwszego lotu maszyna wzbiła się 23 stycznia 1962 roku. Rok później, jesienią 1963 podjęto decyzje o uruchomieniu produkcji seryjnej. W kwietniu 1965 roku Tu-126 został przyjęty na uzbrojenie wojsk obrony przeciwlotniczej ZSRR. W latach 1965–1967 wybudowano 8 maszyn. Eskadra Tu-126 stacjonowała w Szawle na Litwie. Samoloty wykorzystywano aż do połowy lat 80. XX wieku. Ostatnia z maszyn została wycofana w 1984 roku. Tu-126 zastąpiono typem A-50Jefim Gordon, Władimir Rigamnt, Rosyjskie AWACS-y, „Skrzydlata Polska”, nr 7 (1994), s. 46-48, Specjalistyczny samolot wojskowy Tu-126, „Skrzydlata Polska”, nr 17-18 (1991), s. 35, .