В 1957 г. в туполевском ОКБ-156 практически в инициативном порядке под началом ведущего инженера В.Бабанова началась разработка эскизного проекта дальнего перехватчика и изучение боевых возможностей комплекса в целом. Эти работы велись под шифром "128" под общим руководством Егера. Первоначально рассматривался истребитель-перехватчик Ту-28 с ракетами К-24 в составе комплекса Ту-28-24. В этом проекте общая конфигурация самолета была близка к проектам "98" и "122". Однако в ходе работ вид перехватчика изменился: увеличилась стреловидность передней кромки корневой части крыла, а ее задняя кромка стала прямой. В дальнейшем обводы носителя практически не менялись. После подготовленного в начале 1958 г. технического предложения тему одобрило военное командование, а 4 июня 1958 г. вышло правительственное постановление о создании авиационно-ракетного комплекса ПВО Ту-28-80. Согласно этому постановлению, ОКБ-156 должно было создать дальний сверхзвуковой барражирующий перехватчик Ту-28 с двумя двигателями АЛ-7Ф-2 конструкции А.М. Люлька или с ВД-19 конструкции ОКБ-36 В.А. Добрынина (в случае их готовности). ОКБ, возглавляемое Ф. Волковым, должно было спроектировать и построить БРЛС РП-С "Смерч", а ОКБ М.Р. Бисновата - ракеты класса "воздух-воздух" К-80 с радиолокационной и тепловой головками самонаведения. Перехватчик предписывалось предъявить на заводские испытания в I квартале, а на государственные - в IV квартале 1960 г. После выхода правительственных постановлений тему "128" возглавил Д.С. Марков. Но из-за огромной его загруженности по Ту-22 и ряду гражданских машин летом 1959 г. главным конструктором дальнего перехватчика назначили И.Ф. Незваля.

В июне 1959 г. заказчику предъявили эскизный проект, разработанный с учетом результатов продувок моделей в аэродинамических трубах, а также других экспериментальных и расчетных работ, выполненных бригадами ОКБ. В проекте четко сформулировали возможности комплекса Ту-28-80 в системе ПВО страны. Для повышения его боевой эффективности две ракеты К-80 оснащались полуактивными РГС (для атаки из передней полусферы), а две другие - ТГС (для атаки из задней полусферы, а также в условиях радиотехнических помех). По предварительным расчетам, вероятность поражения цели при стрельбе двумя ракетами должна была составлять 76-77%. Особенностью комплекса являлось то, что в воздушном бою самолет-носитель не совершал маневра для достижения высоты полета цели, как это делалось в большинстве других АРКП. Большая дальность полета ракет К-80 и возможность поражения ими объектов, летящих со значительным превышением, позволяли самолету-носителю летать на значительно меньших высотах. Благодаря этому удалось значительную часть маневра перенести с перехватчика на ракеты и рассчитывать самолет на эксплуатационную перегрузку в 2,0-2,5g, а ракету - на перегрузку в 15g. (В ходе проектирования удалось решить задачу значительного повышения маневренных возможностей ракеты: максимальное значение боковой перегрузки довели до 21g благодаря резкому снижению удельной нагрузки на крыло и повышению ее энерговооруженности.) Большие дальности обнаружения и сопровождения целей радиолокатора, а также значительная дальность пуска ракет позволяли производить атаку с любых ракурсов. Еще одной особенностью комплекса стал большой радиус действия самолета-носителя. Это позволяло вынести рубеж перехвата на расстояние до 1 500 км, не допуская пересечения бомбардировщиками или самолетами-снарядами границы страны.

В зоне ожидания воздушных сил противника перехватчик мог барражировать 3-3,5 часа. Благодаря большой дальности обнаружения БРЛС не требовался точный вывод самолета на цель с помощью наземной системы наведения, он мог перехватывать цель и самостоятельно. При автономных действиях требовались лишь отдельные данные о положении воздушных целей. Это позволяло применять его в районах, где не было систем автоматизированного наведения. Экипаж из двух человек для данного класса самолетов являлся оптимальным. Их обязанности распределялись следующим образом: летчик пилотировал самолет, осуществлял наведение на цель по командам наземной системы и РЛС РП-С (Смерч), а также выполнял пуск ракет; штурман-оператор осуществлял самолётовождение в течение всего полета, поиск цели с помощью станции РП-С, ее опознавание и захват, а также радиосвязь с базовым аэродромом. Учитывая всю сложность отработки и доводки РЛС Смерч, ее связи с бортом самолета и ракет, общего взаимодействия всех элементов комплекса, было принято решение о проведении испытаний станции на летающих лабораториях 98ЛЛ и Ту-104ЛЛ, причем на последней даже проводили пуски опытных ракет К-80 по мишеням. Комплекс навигационного и связного оборудования на самолете-носителе был почти таким же, как на дальних бомбардировщиках, что обеспечивало возможность барражирования перехватчика в районах Крайнего Севера и Дальнего Востока. Для эффективной работы двигателей АЛ-7Ф-2 на всех режимах полета воздухозаборники Ту-28 имели подвижные двухскачковые центральные тела-конусы. Хорошие взлетно-посадочные характеристики самолета обеспечивались выдвижными щелевыми закрылками, кроме того, на посадке использовались интерцепторы и тормозной парашют.