28 июля 1934 года три ТБ-ЗР отправились в Варшаву. Командирами самолетов были Байдуков, Мов и Леонов. 1 августа самолеты благополучно возвратились в Москву. 5 августа стартовали сразу две тройки. Одна (с экипажами Байдукова, Ефимова и Леонова) двинулась через Киев и Вену в Париж. Во время пребывания во Франции наши летчики посетили также Лион и Страсбург, откуда через Прагу 17 августа вернулись в Москву. Вторая тройка (командирами ТБ-3 являлись Соколов, Головачев и Рябченко) через Киев, Люблин и Краков направилась в Рим. Возвращалась она через Вену, прибыв домой 16 августа.

Советские бомбардировщики произвели должное впечатление в европейских столицах. Заместитель начальника штаба ВВС Хрипин, участвовавший в двух перелетах, написал в своем отчете: «Весь офицерский и инженерный состав с исключительным интересом относился к нашим самолетам, видя в них удачное решение проблемы тяжелого бомбардировочного самолета. Это относится в равной степени к Польше, Австрии и Италии. Все подчеркивают удивление, что столь большой самолет имеет высокие полетные данные. Это подчеркивает, что наш успех в постройке тяжелобомбардировочной авиации реален, и это будет учтено командованием европейских воздушных флотов». Мнения об этих «миссиях доброй воли», высказываемые в европейских газетах, вообще были порой близки к паническим. Так, один из ведущих репортеров британского еженедельника «Индепендед» писал: «пока в Европе спорят о ценности теории Дуэ, красные уже ее фактически реализовали, продемонстрировав мощные четырехмоторные бомбардировщики, существенно превосходящие британские машины аналогичного назначения», а корреспондент французской «Пти Паризьен» вообще истерически заявил, что «пятьсот русских бомбовозов могут раздавить Европу как тухлое яйцо…».

С ТБ-3, так же как и с его старшим братом ТБ-1, связаны все массовые выброски десанта в 30-х годах. Можно уверенно говорить, что ТБ-3 стал главным воздушным извозчиком советских десантников. Оба самолета обладали одним существенным недостатком — затрудненным покиданием машины десантом. Для совершения прыжка парашютисту необходимо было вначале выбраться на крыло или фюзеляж самолета.

Выброска воздушного десанта с самолета ТБ-3.

Это производилось при приближении к району выброски, о чем штурман самолета извещал парашютистов поднятым белым флажком. По цепочке быстро передавалась команда «Приготовиться!», после чего десантники начинали выбираться наружу для прыжка. Проще всего было занятие правой плоскости — туда вел люк из грузовой кабины. На левое крыло было необходимо вылезать через кабину командира экипажа. Самым же сложным был выход через пулеметные фюзеляжные турели — десантники осторожно выбирались наверх через узкие лазы, после чего садились «верхом» на обшивку фюзеляжа. Для турельного десантирования назначали только самых сильных и ловких бойцов. Кроме того, по два человека становилось у раскрытых бомболюков, а у посадочной дверки экипажа — десантники, находившиеся в рубке радиста и грузовом отсеке. Каждый парашютист надевал на кисть правой руки страховочную резинку, неофициально именовавшуюся «соской», после чего, ухватившись за скобы, борясь с сильными порывами ветра и потоками воздуха от двигателей, ожидал команды выпускающего. Последний находился в носовой турели, высунувшись из нее по пояс (чтобы быть на виду у всех), и держал поднятый вверх флажок. При выходе в точку десантирования штурман взмахивал своим флажком, выпускающий повторял этот жест, после чего начиналась выброска со всех точек. Последними машину покидали выпускающий и командир взвода — сверху они наблюдали за своими людьми.

Такая методика десантирования объяснялась тем, что весь десант внутри тесного и набитого разным оборудованием фюзеляжа даже такого крупного, как ТБ-3, бомбардировщика не удавалось сконцентрировать в одном месте, чтобы обеспечить возможность оставления самолета через удобную грузовую дверь (которой, впрочем, и не было), — личный состав по нескольку человек размещался в различных отсеках самолета. Выброска грузов с использованием бомболюков сильно ограничивала их габариты и общее количество. Поэтому военное руководство СССР настоятельно потребовало создать на замену бомбардировщикам машину с достаточно большими грузовой кабиной и люком в борту, через который можно быстро осуществлять десантирование людей и контейнеров с грузами. Долго искать не пришлось — с 1940 года гражданскими авиалиниями эксплуатировался пассажирский самолет ПС-84. Эта машина представляла собой не что иное, как лицензионный вариант знаменитого американского транспортного DC-3 «Дакота». Во второй половине 30-х годов Советский Союз купил у фирмы «Дуглас» около 20 DC-3, представлявших собой дальнейшее развитие довольно удачного транспортника DC-2 (эти машины тоже были приобретены СССР). Использовались они как Гражданским воздушным флотом (ГВФ), так и авиацией Красной Армии, приняв участие в перевозке войск и грузов во время боев на Халхин-Голе и в «зимней войне» на Карельском перешейке.

Проектирование началось в 1925 году. В 1930 году на опытной машине АНТ-6 выполнили первый полет, а в 1932 году взлетела первая серийная машина. Серийное производство продолжалось до 1938 года. Всего было выпущено 819 серийных ТБ-3 нескольких модификаций с двигателями М-17, М-34 и их вариантами, с разным составом вооружения и оборудования. Лучшие модификации с двигателями М-34РН обладали максимальной скоростью 270–280 км/ч, практическим потолком около 7000 метров при взлетной массе более 19 т. Самолет мог нести 2000 кг бомб, дальность его полета достигала 3000 км. Оборонительное вооружение включало четыре 7,62-мм пулемета ШКАС. Ранние модификации с двигателями М-17 имели более скромные данные, и именно эти машины составляли большую часть парка ТБ-3.

Самолеты использовали в основном как бомбардировщики и военно-транспортные машины в боевых действиях в Китае, у озера Хасан, на Халхин-Голе, в войне с Финляндией, а также при занятии Западной Украины, Белоруссии, Прибалтики и Бессарабии.

Бомбардировщики ТБ-3 вошли в историю авиации как первые самолеты, соединения которых способны были решать стратегические задачи. Именно на их базе в СССР впервые в мире были развернуты стратегические соединения — бригады бомбардировочной авиации, предназначавшиеся для бомбардировок территорий европейских государств и Японии.

Легкий танк Т-37 мог перевозиться самолетом ТБ-3.

Во второй половине 30-х годов, с развитием средств ПВО и истребительной авиации, ТБ-3 перестали отвечать современным требованиям, и их постепенно начали снимать с вооружения.

На 22 июня 1941 года парк ТБ-3 в ВВС составлял 516 машин, еще 25 машинами располагала авиация ВМФ. На удаленных от западной границы аэродромах ТБ-3 избежали потерь от первых воздушных ударов люфтваффе. На фоне остальных потерь начального этапа войны ТБ-3 составляли значительную часть бомбардировочной авиации. Эти тихоходные гиганты в условиях превосходства германской авиации были особенно уязвимы днем, но успешно выполняли свои функции ночью. Уже в ночь на 23 июня ТБ-3 из состава 3-го тбап обрушили авиабомбы на войска противника в районах Сейма, Сопоцкина, Радина и Венгрова. На следующий день ТБ-3 из 1-го и 3-го тбап кассетными авиабомбами нанесли удары по аэродромам в Сувалках, Можедове, Бела-Подляске и Остроленке.