На первый пуск прибыли главный конструктор СКБ-385 и комплекса В.П. Макеев, главный конструктор ОКБ-626 (позже — НИИ-592) и системы управления Н.А. Семихатов и главный конструктор ЦКБ-16 Н.Н. Исанин. Для размещения участников испытаний (до ввода в строй строившейся гостиницы «Ваенга») был арендован круизный теплоход «Мария Ульянова», ошвартовавшийся в Североморске неподалеку от штаба флота. Это было очень удобно, поскольку штаб руководителей испытаний, находившийся на теплоходе (позднее в «Ваенге»), поддерживал постоянную связь с оперативным отделом штаба флота, планировавшим все выходы корабля на испытания.
Непосредственный участник испытаний командир подводной лодки К-142 (бортовой номер 777) С.И. Бочкин, вспоминая о ходе Государственных летно-конструкторских испытаний ракетного комплекса Д-4, отмечал самоотверженность, с какой матросы, старшины и офицеры ракетоносца выполняли свои служебные обязанности, стойко перенося тяготы неустроенного быта в условиях отрыва от места постоянного базирования в течение года.
Первый пуск намечался на 23 февраля 1962 г. из района острова Кильдин. Ранним утром от Глубоководного причала бухты Окольная в море вышла подводная лодка проекта 629Б с бортовым номером 777. Сопровождало подводную лодку спасательное судно Северного флота. Однако с утра начало штормить: шторм был 7 баллов, скорость ветра достигала 23 м/с. Чтобы переждать непогоду, подводная лодка ушла в море, и пуск ракеты перенесли на следующий день.
С утра 24 февраля 1962 г. ветер начал стихать, и в 10.00 состоялся первый испытательный пуск первой боевой ракеты из-под воды с ПЛ. На борту подводной лодки находился главный конструктор комплекса В.П. Макеев. Через некоторое время на обеспечивающее судно пришло сообщение: головная часть достигла боевого поля. Результаты анализа телеметрической информации подтвердили успешность пуска. Немедленно была подготовлена следующая ракета и осуществлен второй пуск.
2 июня 1962 г. подводная лодка проекта 629Б вышла с двумя ракетами на борту. Был получен прогноз на выход: шторм около 7 баллов. Измерения проводились на разных курсовых углах к фронту волны на стартовой глубине 40–50 м и на других глубинах. Материал был получен весьма обширный и ценный для дальнейшей работы по повышению точности наведения бортовых гироприборов баллистической ракеты и, следовательно, увеличению точности стрельбы. Накопление информации после первых пусков осуществлялось с целью оценки возможности и условий проведения залповых пусков.
Летом 1962 г. Северный флот посетил Н.С. Хрущев, как известно, большое внимание уделявший в первую очередь развитию ракетной техники. Главком ВМФ Адмирал Флота С.Г. Горшков не преминул пригласить его на пуск новой ракеты из-под воды. Главком, знавший не понаслышке об «адмиральском эффекте», решил не рисковать и разыграл перед главой государства целый спектакль.
Н.С. Хрущев с большой свитой сопровождающих адмиралов и главных конструкторов систем комплекса отправился в район пуска на эсминце, а в нескольких кабельтовых от него шла надводным ходом атомная подводная лодка (ПЛАРБ) проекта 658 с ракетным комплексом Д-2 (командир — капитан 1 ранга А.С. Пушкин). В заранее оговоренном месте полигона атомный ракетоносец, погрузившись, лег на циркуляцию и ушел в другой полигон для отработки своих задач. В этом же квадрате некоторое время до прихода эсминца с высокими гостями находилась в полигоне и готовилась к старту ракетная ДЭПЛ проекта 629Б, закончившая очередной этап испытаний.
После погружения АПЛ Хрущеву сказали: «Смотрите вот туда: через пять минут будет произведен старт ракеты из-под воды». Действительно, точно в назначенное время в указанном квадрате ярко освещенного летним солнцем северного моря появилась ракета, быстро набрала высоту и ушла из зоны видимости. Через несколько минут телеметрические посты на Новоземельском полигоне зафиксировали координаты падения ее головной части. За отлично выполненную стрельбу Главком ВМФ подарил С.И. Бочкину охотничье ружье.
Сотрудник ЦКБ-34 И.Б. Гринпресс воспоминал: «Памятным был приезд в Североморск в июле 1962 г. Н.С. Хрущева. Никита Сергеевич с министром обороны Р.Я. Малиновским и сопровождавшими их лицами прибыл в Мурманск 16 июля 1962 г. Н.С. Хрущеву было продемонстрировано в действии на море все самое современное в то время вооружение флота, в том числе и пуск из- под воды ракеты Р-21 с опытной подводной лодки проекта 629Б, участвовавшей вЛКИког-иг\ексаД-4. При обсуждении на технической позиции результатов показа Н.С. Хрущев спросил:
«Сколько ракетных шахт на «Поларисе?»
Ему ответили: «Шестнадцать».
«А у нас?» (Как известно, на опытной лодке проекта 629Б, приспособленной для АКИ, было три шахты).
«Если нужно, сделаем тридцать две!» — ответил в гробовой тишине будущий дважды Герой Социалистического Труда П.П. Пустынцев. Н.С. Хрущев остался довольным».
Командир ПЯ Б-67 В.К. Коробов.
Начальник стартовой команды на ПЛ К-142 E.B.Панков.
В конце августа-сентябре 1962 г. летные испытания прервались для подготовки, рассмотрения и защиты технического проекта по комплексу Д-4. В тот период на подводной лодке заменили отдельные приборы управления стрельбой и установили пульт командира БЧ-2, созданный НИИ-592 с учетом результатов испытаний. Работы проводились на судоремонтном заводе ВМФ в поселке Роста.