Пассажирская кабина Ту-114 была полностью перекомпонована. Переднюю и среднюю части фюзеляжа заняли пульты с рабочими местами операторов, в задней части расположили агрегаты обзорной РЛС и аппаратуру связи.
Экипаж Ту-126 делился на две группы. Первая из них (лётный экипаж) отвечала за полёт по заданному маршруту и состояла из двух пилотов, двух штурманов, радиста и бортинженера. Вторая, называвшаяся радиотехническим экипажем, состояла из офицера наведения (командира радиотехнического экипажа), четырёх операторов и инженера по ремонту оборудования. Лётный и радиотехнический экипажи дублировались и работали посменно; всего на борту находились 24 человека. Для неработающей смены имелись места для отдыха. В конструкции самолёта предусматривались меры биологической защиты экипажа от воздействия излучения сверхвысокой частоты РЛС.
Опытный образец Ту-126 на испытаниях
Конструкция обтекателя, вращающегося вместе с антенной
Опытный образец Ту-126 на аэродроме
Самолёт мог находиться в воздухе в течение 11 часов, имея практическую дальность 7000 км. В дальнейшем предполагалось увеличить дальность и продолжительность полёта за счёт системы дозаправки топливом в воздухе по схеме «шланг – конус». На этапе эскизного проектирования предлагалось разместить на Ту-126 дистанционно управляемую кормовую пушечную установку под две 23-мм пушки АМ-23 с прицельной радиолокационной станцией «Криптон», но по мере проработки проекта и анализа вариантов использования комплекса от этой идеи отказались. В дальнейшем в хвостовом отсеке разместили аппаратуру РЭП.
Для охлаждения радиоэлектронной аппаратуры под фюзеляжем предусмотрели специальный воздухозаборник. Для улучшения путевой устойчивости под хвостовой частью фюзеляжа установили дополнительный гребень.
Осенью 1961 г. первый опытный образец Ту-126 был построен и передан на совместные испытания. 23 января 1962 г. экипаж во главе с лётчиком-испытателем И.М. Сухомлиным совершил на нём первый полёт. Первый этап испытаний продолжался до 8 февраля 1964 г., на нём в основном доводился комплекс «Лиана», а также определялась совместимость работы различного радиоэлектронного оборудования. На втором этапе, закончившемся в ноябре 1964 г., проверялись взаимодействие Ту-126 с наземными и корабельными командными пунктами, надёжность передачи информации и отрабатывались совместные действия с силами ПВО, в том числе с истребителями-перехватчиками. В ноябре 1963 г., ещё до окончания испытаний, самолёт и комплекс в целом были запущены в серию.
После завершения испытаний и доводки Ту-126 в апреле 1965 г. приняли на вооружение ПВО. С того же года началась сдача заказчику серийных машин. На них была установлена система дозаправки топливом в полёте, аналогичная применявшейся на бомбардировщиках Ту-95. Приёмная штанга размещалась в носовой части фюзеляжа. Оборудование РЭП постепенно менялось в ходе производства. В 1965 г. завод выпустил два самолёта, в 1966 г. и 1967 г. – по три; всего, таким образом построили девять Ту-126, включая опытный образец.