Conçu comme bombardier nucléaire stratégique, peu de temps après le B-52 Stratofortress, le M-4 Bison était un bombardier quadriréacteur, qui se trouva dès le début handicapé par un rayon d’action trop faible pour mener à bien des missions intercontinentales pour lesquelles il était destiné.

En effet, le rayon d’action de la première version M-4/2M n’était que de 8000 km, en raison de moteurs trop gourmands, ce qui ne permettait pas d’envisager des capacités de bombardements stratégiques. Malgré des changements de motorisation, la version M-4/2M ne réussit jamais à surmonter ce problème, et il fallut attendre la version 3M/M-6 (Bison B) pour voir le rayon d’action augmenter à 11 800 km, grâce à une capacité carburant accrue et de nouveaux moteur plus économes en carburant et plus puissants.

Malgré ces handicaps de départ à la conception et sur les premières versions, le M-4 Bison battit à l’époque un record de vitesse sur circuit fermé de 1 000 km avec une charge de 27 tonnes à la vitesse de 1 028 km/h.

Le Bison possédait une voilure en flèche, ses 4 réacteurs étant fixés à l’implanture des ailes. Il disposait d’un train principal monotrace avec des stabilisateurs en extrémités de voilure, son train avant lui donnait au sol une incidence positive pour améliorer ses capacités de décollage. Pour son autodéfense, l’appareil disposait de deux tourelles (1 dorsale et 1 ventrale commandées à distance) et un poste de tir arrière, tous équipés de canons NR-23.

Le M-4 Bison resta un bombardier avec une capacité d’emport de bombe à chute libre, conventionnelles et nucléaires, il ne fut jamais équipé pour le tir de missile même si des projets furent étudiés dans ce sens. Avec l’essor des missiles intercontinentaux, les M-4 Bison furent rapidement relégués à la fonction de ravitailleurs et de patrouilleurs maritimes, même s’ils conservaient (pour les premières versions) leur capacité de bombardier.

Il y aurait eu environ 200 appareils construits. Entrées en service probablement en 1953, les versions de bombardement furent retirées au début des années 1980 pour répondre au accord START 1 sur le démantèlement des armes nucléaires. Les versions de ravitaillement en vol furent maintenues en service jusqu’en 1994.
Un appareil fut spécialement transformé pour transporter les éléments de la fusée soviétique Energia : son fuselage fut renforcé et il reçut une structure sur le haut du fuselage permettant le transport des éléments de la fusée.

Versions développées:

- Bison A – M-4/2M : version de bombardement nucléaire stratégique
- Bison B – 3M/M-6 : version de bombardement nucléaire stratégique améliorée avec une capacité de carburant accrue et une nouvelle motorisation, quatre réacteurs VD-7. Capacité de ravitailleur en vol
- Bison B – 3MS/M-6 : version de bombardement nucléaire stratégique équipée de nouveaux moteurs RD-3M-500A. Une version désigné 3MS2 fut développée spécifiquement pour le ravitaillement en vol, elle conserva pourtant le code OTAN Bison-B
- Bison C – 3MD/M-6/3MN : version de bombardement nucléaire stratégique avec de nouveaux moteurs VD-7B. Cette version disposait également de la capacité de ravitaillement en vol
- Bison C – 3MN-2 : version de ravitailleur en vol issue du modèle 3MD
- Projet 28 : étude pour une version de bombardement haute altitude. Le projet ne fut pas mené à terme
- 3M-T/BM-T “Atlant” : un appareil transformé pour le transport des élément de la fusée Energia