13 июня 1940 года председатель Совета Обороны С.Тимошенко направил в ЦК ВКП(б) и СНК СССР докладную записку о «...недостаточной мощности вооружения новых танков KB и Т-34, а также иных образцов перспективных танков, находящихся в проектировании», а уже 27 июня было назначено специальное заседание СНК и ЦК ВКП(б), посвященное этому вопросу. На нем было признано, что 45-мм танковые орудия обладают недостаточной эффективностью и являются неперспективными. Для их замены предполагалось разработать новые 55–60-мм орудия.

В сентябре 1940 года началось изготовление первого опытного экземпляра, но вплоть до декабря месяца работы шли крайне медленно, так как и завод и КБ были заняты доработкой и освоением массового выпуска 76-мм танкового орудия Ф-34. Тем не менее, в начале декабря опытный образец 57-мм орудия был изготовлен и представлен для испытаний. Заводские испытания на полевом лафете пушка проходила с середины декабря 1940 года до конца марта 1941 года, а в апреле, будучи установленная в башню серийного танка Т-34, поступила на АНИОП для полигонных испытаний, которые выявили чрезвычайно малую живучесть ствола орудия (наблюдался сильный нагрев после 100–150 выстрелов) и недостаточную кучность стрельбы.

В июле 1941 года доработанное орудие, получившим обозначение ЗИС-4, вновь установили в Т-34 и подвергли повторным испытаниям на Софринском полигоне. Испытания прошли успешно, но технология изготовления стволов такой длины была чрезвычайно дорогой и только из-за крайней необходимости в противотанковых пушках большой мощности, ЗИС-4 была принята на вооружение. Орудием предполагалось оснащать танки-истребители (Т-34–57) и с середины июля 1941 года приказом НКВ орудие ЗИС-4 было запущено в массовое производство на заводе № 92.

Производство ЗИС-4 велось с августа по сентябрь, а к 1 декабря 1941 года ввиду трудностей производственного характера и недостатка боеприпасов, выпуск орудия был остановлен. Всего по отчету Наркомата Вооружений в течение 1941 года завод № 92 выпустил 133 орудия ЗИС-4.

Для вооружения серийных танков до эвакуации ХПЗ получил 21 шт. ЗИС-4, еще 20 орудий досталось СТЗ. Начиная с 1 октября 1941 г. производством танков-истребителей с планом выпуска 100 шт. до конца года должен был заниматься завод «Красное Сормово», но в его отчетах данной продукции не обнаружено.

В начале 1942 года ОКБ № 92 создает новое полевое 57-мм орудие ИС-1 и его танковая версия ИС-1–1. Но в то время переход на калибр 57-мм не давал особых выгод перед 76-мм пушками. Их производство оставалось весьма дорогим, а фугасное могущество 57-мм снаряда сильно уступало аналогичному 76-мм снаряду. Орудие, выпущенное в количестве 5 штук (в танковом и противотанковом варианте), осталось в разряде опытных.

Вспомнили о 57-мм пушках ЗИС-2 и ЗИС-4 в 1943 году, когда 57-мм пушки стали единственными освоенными артсистемами, способными противостоять новым немецким тяжелым танкам. В мае 1943 года на вооружение советской армии вновь были приняты танки «Т-34 танк-истребитель» и «KB танк-истребитель», вооруженные модернизированной 57-мм пушкой ЗИС-4М, отличавшейся от ЗИС-4 рядом упрощений, а именно:

— введен затвор, унифицированный с затвором Ф-34, ЗИС-2, ЗИС-3 и ЗИС-5;

— упрощен механизм полуавтоматики;

— изменено крепление муфты в люльке.

Орудие ЗИС-4М не предусматривало использование перископического прицела и потому «танки-истребители» одними из первых вместо панорамного прицела получили перископ типа МК-4. Командирской башенки танки, судя по сохранившемуся описанию, не имели. Специально для борьбы с немецкими тяжелыми танками в боекомплект ЗИС-4М был введен «бронебойный выстрел повышенной мощности» с начальной скоростью снаряда — 1010 м/с. Однако ресурс орудия с данным выстрелом резко снизился, в войсках было зафиксировано несколько случаев раздутия стволов и вскоре после выпуска небольшой партии данных боеприпасов (не более 2800), они были сняты с вооружения и изъяты из войск.

Т-34–57 приняли участие в битве под Москвой. В частности, в составе 21-й танковой бригады, сформированной во Владимире, было 10 машин указанного типа. 14 октября танковая бригада выгрузилась в районе ст. Демидово и на следующий день получила приказ наступать по маршруту Турчиново-Пушкино-Трояново с целью нанесения удара во фланг Калининской группировки немецких войск. Особенно в данных боях отличился старший политрук Гмыря, танк которого вышел из района Турчиново на Волоколамское шоссе в момент, когда по нему двигалась большая колонна немецких автомобилей с войсками. Уничтожив колонну, длиной около 2–3 км(!), танк ворвался на немецкий аэродром, где расстрелял из орудия тяжелый бомбардировщик. Затем огнем орудий противника и самолетов танк был подбит, но политрук Гмыря и сержант Ищенко с боем вышли к своим войскам. За 4 дня боев бригада уничтожила 3 штаба, до 1000 солдат, 34 танка, 210 автомашин, 25 противотанковых орудия, 6 «термитных орудий» и др. В боях погиб командир танкового полка бригады Герой Советского Союза майор Лукин и командир 1-го батальона, Герой Советского Союза, капитан Агибалов. К 25 ноября все «танки-истребители» в бригаде были потеряны.

Новые «Т-34 танки-истребители» прибыли на фронт в августе 1943 года в составе «особой танковой роты 100». Рота имела три «танка-истребителя», входивших в первый взвод. Танки роты проходили фронтовые испытания с 15 августа по 5 сентября 1943 г. Однако «танкам-истребителям» не повезло. В течение трех недель, пока рота находилась в действующей армии, немецкие танки были встречены всего один раз, причем «танки-истребители» в этот момент были в резерве и не смогли продемонстрировать свою эффективность против немецкой брони. Тем не менее, командир танковой роты, капитан Волосатов и представитель ГАБТУ инженер-полковник Зайцев, дали танкам высокую оценку по результатам стрельб по подбитым и брошенным вражеским машинам, а также амбразурам ДЗОТ.