Второй опытный образец с двигателями М-88Р впервые взлетел 31 октября 1940 г., в конце декабря ему присвоили обозначение Та-1. По завершении испытаний отделу В.К. Таирова поручалось построить и предъявить на госиспытания самолет под обозначением Та-3 в двух вариантах: первый с двумя двигателями М-89 – к 1 мая 1941 г., а второй с двигателями М-90 – к 1 октября 1941 г. Для ускорения испытаний в Та-3 предлагалось переделать первый экземпляр ОКО-6, к 28 апреля 1941 г. переделка первого экземпляра ОКО-6 в Та-3 была закончена.

Испытания Та-3 с двигателями М-89 проходили с 12 мая по 10 июля 1941 г., по результатам испытаний Та-3 был рекомендован в серийное производство в качестве истребителя самолетов и танков. Но в условиях начавшейся войны запустить самолет в серию не было возможности, а 29 октября 1941 г. при перелете в город Куйбышев В.К. Таиров погиб в авиационной катастрофе.

ОКБ, оставшееся без своего главного конструктора, в 1942 г. представило последний вариант Та-3бис с двигателями М-89, отличавшийся от предшественника главным образом крылом увеличенной площади и увеличенным запасом топлива. Однако в результате ухудшились взлетно-посадочные характеристики и несколько снизилась максимальная скорость. Все это и ненадежная работа двигателей не позволили запустить самолет Та-3 в серию. В конце 1942 г. ОКБ В.К. Таирова было расформировано.

Характеристики Та-3: экипаж – 1 человек, силовая установка – 2 х М-89 мощностью по 1150 л. е., размах крыла – 14,0 м и его площадь – 33,5 м2, длина – 12,2 м, высота – 3,76 м, вес пустого – 4450 кг, взлетный вес – 6626 кг, максимальная скорость – 595 км/ч, дальность – 2065 км, скороподъемность – 909 м/мин, практический потолок – 11 000 м, вооружение – 1 пушка ШФК-37 калибра 37 мм, 2 пушки МП-6 калибра 23 мм и 2 пулемета ШКАС калибра 7,62 мм.

В 1925 г. под руководством А.Н. Туполева был разработан цельнометаллический самолет АНТ-4, первый опытный образец самолета с двумя двигателями Napier Lion английского производства взлетел 26 ноября 1925 г. С учетом результатов летных испытаний прототипа в феврале 1928 г. был построен второй опытный образец под обозначением ТБ-1 (тяжелый бомбардировщик). ТБ-1, оснащенный более мощными двигателями BMW VI, с июля 1928 по март 1929 г. прошел комплекс заводских и государственных испытаний.

На АНТ-4 в июле 1926 г. было установлено два мировых рекорда продолжительности полета с полезной нагрузкой. В 1929 г. самолет «Страна Советов» (специально подготовленный АНТ-4) совершил перелет из СССР в США по маршруту Москва – Омск – Хабаровск – Петропавловск-Камчатский– остров Атту – Сиэтл – Сан-Франциско – Нью-Йорк, преодолев за 141 час 45 минут летного времени 21 242 км.

Бомбардировщики ТБ-1 после выработки положенного ресурса в авиачастях передавались в гражданскую авиацию, где они продолжали эксплуатироваться под обозначением Г-1 (грузовой). Г-1 летали в Средней Азии, перевозя серу с открытых в Каракумах месторождений в Ашхабад. Часть машин успешно работала в Полярной авиации. Они, например, в феврале – марте 1934 г. участвовали в операции по спасению экипажа и пассажиров с парохода «Челюскин», раздавленного льдами в Чукотском море. В марте – мае 1938 г. участвовали в спасении людей с каравана из 8 судов, затертых льдами в море Лаптевых.

В 1931 г. двенадцать самолетов ТБ-1 передали первому опытному десантному отряду. На этих машинах испытывались средства парашютного и беспарашютного десантирования грузов (боевой техники, горючего, снаряжения) и людей, разрабатывавшиеся в Осконбюро П.И. Гроховского, так называемые «авиабусы» и «гидробусы». В 1932 г. там успешно испытали парашютную систему ПД-0 для сброса 76-мм горной пушки обр. 1909 г. Пушка подвешивалась между стойками шасси бомбардировщика ТБ-1, а парашют в специальном контейнере крепился на бомбодержателе под фюзеляжем. Позднее в Осконбюро для ТБ-1 сделали подфюзеляжную подвеску ПД-М2 для двух мотоциклов «Харлей-Дэвидсон» с колясками. В расчете на этот же носитель спроектировали парашютную подвеску ПД-А для легкового автомобиля «Форд-А» (или ГАЗ-А). В Осконбюро машину переделали в пикап, в кузове которого смонтировали динамореактивную пушку ДРП. Автомобиль получил усиленные рессоры, колпаки на колеса и обтекатель перед радиатором.

В том же 1932 г. изготовили образец системы Г-43 (ПД-Т) для сброса с парашютом танкетки Т-27. Поскольку вес танкетки значительно превышал предельно допустимую нагрузку бомбардировщика ТБ-1, то танкетку пришлось облегчить на 334 кг, сняв все, что возможно, и даже слив воду из системы охлаждения. Самолет тоже пришлось облегчить. В частности, демонтировали одну из задних турелей и все пулеметы, значительно уменьшили запас горючего. В декабре 1932 г. систему ПД-Т испытали в НИИ ВВС, она стала прообразом большого числа подобных устройств, предназначенных для десантирования легких танков, бронемашин и автомобилей.

ТБ-1 широко использовался в различных экспериментальных разработках. В 1933–1934 гг. на самолетах ТБ-1 (№ 614 и 726) испытывались твердотопливные стартовые ускорители. С 1931 по 1935 г. ТБ-1 использовались при отработке способов заправки топливом самолетов в полете. Аналогичные работы проводились в то время и в Англии на фирме «Хэндли Пэйдж». Там также бомбардировщики переоборудовались в топливозаправщики, чтобы обеспечить возможность самолетам совершать трансатлантические перелеты. В первых экспериментах с ТБ-1 в качестве заправщика использовался самолет Р-5, затем ТБ-1 использовался как танкер для заправки топливом истребителей И-15 и И-16, и, наконец, ТБ-1 использовался для заправки строевых бомбардировщиков ТБ-1, которые оснащались дополнительным оборудованием для дозаправки в полете, во время процедуры заправки заправочный шланг должен быть пойман вручную на заправляемом самолете, эта работа обычно выполнялась стрелком. В 1932 г. проводились работы по оценке возможности установки дополнительных баков на самолете.

В 1931 г. ТБ-1 успешно испытывался в качестве авианосца в составе «Звена» B.C. Вахмистрова, а с 1933 по 1939 г. использовался в работах по «телемеханическому самолету». В начале 1930 г. B.C. Вахмистров экспериментировал с установкой на ТБ-1 стреляющих вертикально вниз динамореактивных пушек калибра 76 мм, предназначенных для поражения наземных целей. Эту идею B.C. Вахмистрова в конце войны немцы попытались воплотить при создании своего противотанкового самолета Fw 190. Под углом 70° к вертикальной оси на Fw 190 ставилась батарея из шести динамореактивных пушек, однако закончить ее до конца войны немцы не успели.

В качестве военно-транспортных самолетов ТБ-1 использовались во время боевых действий в июле 1938 г. у озера Хасан, а летом 1939 г. на реке Халхин-Гол. Часть самолетов ТБ-1 еще находилась на вооружении ВВС и авиации ВМФ, когда началась советско-финляндская война. В годы Великой Отечественной войны ТБ-1 применялись в качестве транспортных, десантных, патрульно-разведывательных самолетов, а также для транспортировки планерных поездов (ТБ-1 мог буксировать за собой до 9 планеров).

За время серийного производства ТБ-1 с июля 1929 до 1933 г. построили 216 экземпляров в различных модификациях, включая 55 поплавковых ТБ-1 П. Они использовались в приморских регионах, главным образом на Дальнем Востоке для патрулирования. Гражданская версия поплавкового варианта, эксплуатировавшаяся в Главсевморпути, имела обозначение Г-1. Некоторые самолеты ТБ-1 оснащались лыжами для использования в северных областях страны.