A segunda metade da década de 1950 foi um dos períodos mais tensos da Guerra Fria. Para garantir a paridade militar e estratégica, a URSS teve que melhorar os seus sistemas de armas ofensivas e defensivas, em particular, os sistemas de defesa antiaérea.
O projeto original previa instalar o radar e todos os instrumentos a bordo de um bombardeiro Tu-95. Não obstante, devido a problemas de resfriamento e falta de espaço dentro da aeronave para a tripulação, foi decidido a instalá-lo na fuselagem da "versão comercial" do Tu-95, o Tu-114.
O Tu-126 era capaz de detectar alvos aéreos a uma distância de até 350 quilômetros, atingir alvos a 400 quilômetros de distância e identificar a existência de radares a uma distância de 600 quilômetros. A autonomia de voo era de oito horas, mas esse tempo poderia ser aumentado até 17 horas com reabastecimento no ar.
A aeronave continuou a operar até 1985. A experiência adquirida durante o desenvolvimento do Tu-126 serviu a base para projetar e, em seguida, construir o A-50 — o avião com o sistema de alerta e controle aéreo que permanece em operação até hoje.