Взлетный вес бомбардировщиков «ББ-22» приблизился к 6 тоннам, а нагрузка на крыло достигла значения 190 кг/ м². При этом, полетная скорость уже не превышала значений 500 км/ч. В этих условиях вполне разумным решением становилась установка на ББ-22 двигателей М-105 мощностью по 1100 л.с. В планах КБ Яковлева самолет с двумя М-105 уже проходил, он обозначался как самолет «№ 23», однако рабочим проектированием новой модификации пришлось заниматься конструкторам КБ-70 во главе с Л.П. Курбала. 4 марта 1940 г. последовало решение Комитета Обороны № 11 сс о модификации самолета «ББ-22» с двигателями М-105 и М-107. Оговаривались следующие расчетные данные: с двигателем М-105 максимальная скорость — 590 км/ч; с двигателем М-107 максимальная скорость — 650 км/ч. Самолет с двигателями М-107 остался в планах, а машина с М-105 была построена уже в марте 1940 года. Модификацию с двигателями М-105 разработали на заводе № 1, здесь внесли необходимые изменения в конструкцию, подготовили всю техническую документацию для возможной серии.
В том же декабре самолеты «ББ-22» с двигателями М-103 стали именоваться Як-2, а самолеты «ББ-22бис» с двигателями М-105 — Як-4.
Именно под новым обозначением два Як-4 81-го завода — № 70602 и № 70603 — 10 декабря 1940 г. поступили для проведения государственных испытаний в НИИ ВВС. На испытаниях была достигнута максимальная скорость у земли 458 км/ч, на высоте 5000 метров — 533 км/ч. Потолок составил 9700 метров, время набора высоты 5000 метров — 6,5 минут. Признавалось, что по этим основным показателям самолет не удовлетворяет требованиям, предъявленным еще в марте 1940 г. Далее говорилось, что «Як-4 на эксплуатационном диапазоне центровок 29–31 % САХ [средняя аэродинамическая хорда крыла] обладает неудовлетворительной продольной и боковой устойчивостью. С нормальным полетным весом 6115 кг. сложен в пилотировании, рассчитан на летчика выше средней квалификации и полет на нем в сложных метеоусловиях будет исключительно труден». Затем указывалось множество других недостатков, среди прочих указывалось, что «эксплуатация в строевых частях ВВС будет исключительно сложной». Итоговое заключение по результатам государственных испытаний гласило, что в предъявленном виде самолеты Як-4 являются небоеспособными и недоведенными в части эксплуатации. Поэтому предлагалось Як-4 с серийного производства снять, а на уже выпущенных самолетах в целях безопасности полетов бомбовую нагрузку ограничить в 400 кг авиабомб, из которых только 200 кг размещать внутри фюзеляжа. От наружной подвески авиабомб калибром 250 кг военные испытатели требовали отказаться вовсе. Заключение было подписано начальником НИИ ВВС Филиным 7 марта 1941 г., однако еще ранее, в феврале выпуск Як-4 был прекращен решением правительства. Впрочем, на заводе в Тушино еще оставалось значительное количество недостроенных самолетов, поэтому они достраивались до лета 1941 года. Всего авиазавод № 81 построил 120 двухмоторных Яков. Из них 57 самолетов сдали в 1940 году и 63 — в 1941 году. 30 экземпляров из этого количества оснастили моторами М-103 (Як-2), 90 — моторами М-105 (Як-4). Суммарный выпуск на двух авиазаводах (№ 1 и № 81) всех двухмоторных ББ-22 и ББ-22бис — Як-2
