30 апреля специалисты ОКБ приступили к испытаниям первого вертолета В-12 на привязи. Первый свободный полет выполнил летчик В. В. Винницкий 3 июня 1952 г. Кроме него, в испытаниях и доводке вертолета принимали участие летчики Г. А. Тиняков, Г. В. Алферов, С. Г. Бровцев, Ю. А. Гарнаев, Р. Э. Капрелян и многие другие. После успешного завершения в августе 1952 программы заводских испытаний вертолет был предъявлении на государственные испытания в ГК НИИ ВВС. Еще до их окончания, в декабре 1952 г., в Саратове на заводе № 292 развернули серийное производство В-12, получившего обозначение Ми-4. (Много лет спустя вертолету было присвоено также обозначение изделие 56.) В следующем году, по окончании войсковых испытаний, Ми-4 был принят на вооружение, и в ежегодной воздушном параде участвовало уже 24 серийные машины. Всего саратовский завод построил за период с 1952 по 1954 г. 152 вертолета. Затем производство Ми-4 перевели на Казанский вертолетный завод № 387, где оно продолжалось до 1966 г. Всего в Казани было построено 3155 машин. Казанский филиал № 1 ОКБ М. Л. Миля вел с 1959 г. проработку всех основных модификаций Ми-4.

С производства Ми-4 началось серийное вертолетостроение в Китайской Народной Республике. Передавать документацию на Харбинский авиационный завод стали в 1956 г., и через два года там был собран первый вертолет, получивший название Z-5. Однако проводимая в КНР политика «большого скачка» негативно сказалась на освоении серийного выпуска винтокрылых машин, который удалось наладить только в 1963 г. Всего в Китае до 1979 г. было изготовлено 545 вертолетов Z-5.

В отличие от своего предшественника Ми-1, новый вертолет оказался более проблемной  машиной. В ходе испытаний и доводки Ми-4 сотрудникам ОКБ М. Л. Миля при помощи ученых ЛИИ и ЦАГИ пришлось решить ряд сложных задач, связанных с обеспечением усталостной  прочности конструкции, динамической прочности  рулевого винта, с устранением флаттера и земного резонанса.

Пожалуй, ни на одном другом вертолете «Ми» так трудно не решалась проблема создания высокоресурсных лопастей несущего винта, как на Ми-4. Ресурс лопастей смешанной конструкции долго не удавалось поднять выше 150 ч. Лишь к 1955 г. в результате ряда принятых мер по снижению напряжений и некоторых технологических решений получили 300-часовой ресурс. Дальнейшего повышения ресурса добились только в 1957 г., создав лопасти смешанной конструкции с лонжеронами из цельной трубы с дорнованием отверстий в комле. Вводя такие усовершенствования, как индукционная закалка, крепления каркаса к лонжерону клеем вместо заклепок, полировка внутренней поверхности трубы и наклеп наружной поверхности, ресурс лопастей несущего винта последовательно повышали до 500, 600, 800 и 1000 ч. К концу 50-х гг. успешно завершились многолетние работы ОКБ М. Л. Миля по созданию надежных цельнометаллических лопастей. В 1959-1960 гг. для Ми-4 были изготовлены, испытаны и запущены в серийное производство лопасти с прессованным одноконтурным дюралевым лонжероном и хвостовым отсеком трехслойной конструкции с металлическим сотовым заполнителем. Их ресурс удалось увеличить до 2000-2500 ч. Повышению надежности способствовала также установка на лопастях пневматических сигнализаторов трещин. Отработанная на Ми-4 конструкция лопастей на многие годы стала типовой для вертолетов «Ми» и сделала их одними из самых надежных в мире.