Характеристики ТБ-1: экипаж – 6 человек, силовая установка – 2 х М-17 мощностью по 680 л. е., размах крыла – 28,7 м и его площадь – 120,0 м2, длина – 18,0 м, вес пустого – 4520 кг, взлетный вес – 6810 кг, максимальная скорость – 207 км/ч, дальность – 1000 км, скороподъемность – 170 м/мин, практический потолок – 4830 м, вооружение – 6 пулеметов ПВ-1 калибра 7,62 мм и 1000 кг бомб.

В мае 1926 г. в ЦАГИ бригада В.М. Петлякова под общим руководством А.Н. Туполева начала разработку тяжелого бомбардировщика АНТ-6. Этот самолет, оснащенный четырьмя двигателями, представлял собой дальнейшее развитие ТБ-1 (АНТ-4). Первый опытный образец взлетел в воздух 22 декабря 1930 г. Положительные результаты летных испытаний стали основанием для принятия бомбардировщика под обозначением ТБ-3 с двигателями М-17Ф к серийному производству, которое было начато в 1932 г. В дальнейшем серийные машины оснащались более мощными и высотными двигателями, сначала М-34, а затем М-34РН и М-34ФРНВ.

На самолетах АНТ-6 с двигателями М-34Р в 1933–1934 гг. были выполнены три больших международных перелета – в Варшаву, Париж и Рим. В 1937 г. четыре АНТ-6 высадили научную группу И. Папанина на ледовом поле Северного полюса и благополучно возвратились на материк. Под маркой Г-2 (грузовой-второй) машины АНТ-6 много лет эксплуатировались на линиях гражданской авиации.

С 1935 г. самолет АНТ-6 начал широко использоваться как военно-транспортный. Он брал на борт 30–35 парашютистов, пушки, танкетки. В ноябре 1935 г. в НИИ ВВС испытывали ТБ-3 в качестве постановщика противотанковых минных полей. Мины Т-27 сбрасывались с самолета, летящего на высоте 300 м.

В 1934 г. П.И. Гроховским были начаты работы по установке на бомбардировщики обычных орудий, состоявших на вооружении сухопутных частей. Первоначально ТБ-3 оснастили одной 76-мм полковой пушкой образца 1927 г., снятой со штатного лафета. Ее установили под фюзеляжем в люльке на расстоянии 600 мм от нижней поверхности. Испытания проводились с 15 по 18 декабря 1934 г., сначала на земле, а затем в воздухе. В выводах по результатам испытаний отметили: стрельба из полевых пушек калибром до 76 мм включительно с самолетов возможна. П.И. Гроховский начал работы по более мощному варианту самолета ТБ-3, который назвал «летающей батареей».

В декабре 1935 г. прошел госиспытания тяжелый штурмовик П.И. Гроховского Г-52 («летающая батарея»), который представлял собой серийный бомбардировщик ТБ-3 с двигателями М-17, вооруженный пушками. В носу фюзеляжа ТБ-3 устанавливалась зенитная пушка калибра 76 мм, а в консолях крыла – два полевых орудия калибра 76 мм. Основным назначением Г-52 являлось огневое обеспечение десантных операций. Дальность стрельбы орудий составляла 18 км, прицеливание летчик осуществлял разворотом самолета. Для прицеливания перед козырьком командира корабля устанавливалась планка с простым сетчатым прицелом.

Заряжание всех пушек для стрельбы производилось обычным способом, вручную. С этой целью рядом с казенной частью были оборудованы рабочие места заряжающих – небольшие сиденья и стойки с плоскими пружинными гнездами для снарядов. Управление стрельбой осуществлялось с помощью световой сигнализации. У командира корабля имелся пульт с тремя переключателями и цветными лампочками. Небольшие пульты были у каждого заряжающего. Включив переключатель на пульте, летчик подавал сигнал – приготовиться к стрельбе. Зарядив пушку, артиллерист тем же способом отвечал о готовности. Наведя самолет на цель, летчик нажимал кнопку на штурвале, и у артиллеристов загоралась красная лампа – «огонь», после чего производился выстрел. В случае необходимости выстрелы из крыльевых пушек можно было сделать с помощью дистанционной системы. Для этого от их спусковых механизмов в фюзеляж шла специальная тросовая проводка.

В 1937–1938 гг. проводились исследования самолета ТБ-ЗР с грузовыми подвесками ПГ-12 и ДТП-2, на которых можно было перевозить автомобили, танки, броневики и пушки.

В мае 1937 г. проводились испытания ТБ-ЗР с «выпускаемой кабиной старшего лейтенанта Герасимова». Эта кабина представляла собой одноместный летательный аппарат с крестообразным хвостовым оперением, пустой вес кабины составлял 133 кг. Кабина подвешивалась на четырех растяжках под центропланом ТБ-3, а штурман садился в кабину в полете через специальный люк. Выпускалась кабина на тросе диаметром 6,2 мм и максимальной длиной 500 м с помощью ручной лебедки. Трос длиной 500 м обеспечивал превышение самолета над кабиной в 200 м при угле отставания последней 70–75°. Выпускаемая кабина имела рули высоты и направления, манипулируя которыми штурман мог осуществлять маневрирование кабиной так, что самолет-носитель шел над облаками или в них, а кабина двигалась на привязи под облаками. При таком варианте движения зенитчики противника не могли определить положение летящего в облаках бомбардировщика, а попасть в небольшую кабину было во много раз труднее, чем в ТБ-3. Двухсторонняя связь штурмана с пилотом осуществлялась с помощью коротковолновой радиостанции 6-ПК.

Летом 1938 г. Отдел экспериментальных конструкций НИИ ВВС провел летные испытания кабины. Было выполнено семь полетов общей продолжительностью 20 часов 55 минут, сброшено пять бомб, две из них во время полета самолета вне облаков и три – в полете ТБ-3 за облаками. Испытания показали, что при буксировке на всех скоростях кабина устойчива и вполне позволяет производить прицельное бомбометание, фотографирование и визуальную разведку. По результатам испытаний было принято решение построить к 1 февраля 1939 г. опытный образец летающей кабины для бомбардировщиков ДБ-3 и ТБ-ЗРН для проведения полных государственных испытаний с привлечением средств ПВО. Однако из-за отсутствия средств на проектирование и постройку опытного образца работы были прекращены.

В октябре 1937 г. на ТБ-3 испытывалась телевизионная установка, созданная по советскому заказу американской фирмой RCA. Передача изображения местности, над которой пролетал самолет, осуществлялась на расстояние до 25 км, приемная аппаратура монтировалась в специальном штабном автомобиле. Эта система предназначалась для отработки метода дистанционного управления войсками в реальном масштабе времени. В 1938 г. вели разработку усовершенствованной телевизионной станции «Доломит» отечественного производства, предназначенной для самолетов ТБ-3 и ДБ-3, но на самолетах она так и не испытывалась.

ТБ-3 хорошо показали себя в боях с японскими захватчиками у озера Хасан и в районе реки Халхин-Гол, там они использовались в качестве бомбардировщиков и для высадки десантов. ТБ-3 применялись во время советско-финляндской войны 1939–1940 гг., были использованы в боевых воздушных десантах в Прибалтике и Бессарабии в 1940 г. Только машины этого типа участвовали в последних крупных предвоенных маневрах воздушно-десантных войск в августе 1940 г. На них имитировался захват аэродрома Мигалово под Калинином (ныне Тверь). Сначала 26 самолетов ТБ-3 высадили батальон парашютистов, затем им сбросили грузы с трех Р-5. Один ТБ-3 выбросил на парашютах также два мотоцикла и два грузовых мешка. Парашютисты «захватили» аэродром и начали принимать посадочный десант. С самолетов выгрузили девять танков Т-37А и две артиллерийские батареи – 76-мм и 45-мм пушек.