Тяжелобомбардировочная бригада полного состава имела четыре эскадрильи ТБ-3 (всего 49 машин), эскадрилью «крейсеров» Р-6 (12 самолетов) для дальнего сопровождения и разведки и эскадрилью истребителей И-5 (31 самолет) для прикрытия аэродромов и эскорта близ линии фронта. Таким образом создавалась стройная структура стратегической авиации. Все это делалось впервые в мире. Обычно бригады сначала формировались из двух эскадрилий, а потом разворачивались до полного состава.

На 1 октября 1932 года в составе трех эскадрилий в Монине было десять самолетов ТБ-3, в Ржев не поступило ни одного, шесть машин оказались в Воронеже и еще 13 перегнали по воздуху на Дальний Восток. Надо сказать, что перелет на такое расстояние в те времена выглядел достаточно сложным. Командовал перегоном С. А. Шестаков, тот самый, который слетал в Америку на «Стране Советов». Некоторые ТБ-3 держались в воздухе до 14 часов. К 27 октября ВВС успели принять уже 93 ТБ-3, одна машина была потеряна в авиакатастрофе. На 1 января 1933 года в боевом составе ВВС РККА уже числилось 144 ТБ-3. К концу года четырехмоторных машин в строевых частях было уже больше, чем ТБ-1.

Тогда же, в 1933 году, в СССР были осуществлены опыты по дозаправке самолета в воздухе. Первоначально эта программа была задумана годом ранее и предполагала использование самолетов ТБ-1. Но из-за конструктивных особенностей этот самолет плохо подходил в качестве заправщика, и было решено продолжить опыты в 1933 году с использованием серийного бомбардировщика ТБ-3. В средней части фюзеляжа перед кабиной стрелков была смонтирована приемная горловина с крышкой и трубопроводами к бакам. В качестве самолета-танкера использовался Р-5. Танкер шел в 7–8 метрах выше бомбардировщика, заправочный шланг с «грузовой грушей» ловили сразу два стрелка, а поймав, помещали его в приемную воронку и открывали кран. 20 ноября 1933 года экипаж летчика И. Т. Иващенко впервые успешно заправил свой ТБ-3 в воздухе. В акте по госиспытаниям указывалось: «…приспособление для заливки горючего из самолета Р-5 в самолет ТБ-3 государственные испытания выдержало». Всего было совершено 24 полета с дозаправкой.

Хотя работы проводились в НИИ ВВС, Туполев внимательно следил за испытаниями, отрядив для этого инженера Е. А. Иванова (впоследствии активного помощника П. О. Сухого), и радовался их успешному завершению. С большим вниманием он относился и к сведениям о переучивании летчиков на новую машину, читал «вэвээсовские» отчеты, при случае расспрашивал летчиков и командиров.

Впоследствии ТБ-3 также стал танкером: с него заправлялись в воздухе истребители И-5, И-15, И-16.

Несмотря на успешное завершение испытаний по дозаправке в воздухе командование ВВС не приняло названную систему на вооружение. Этот факт может послужить еще одним аргументом против тезиса об агрессивной направленности РККА. Система авиационных вооружений СССР носила чисто оборонительный характер, о чем свидетельствуют и абсолютное численное превосходство истребителей в ВВС РККА, и отказ от дозаправки, хотя тогда, в начале 1930-х годов, эта система опередила свое время.

К тому времени у основной массы летного состава туполевский бомбовоз вызывал чувство законного уважения. Четырехмоторные гиганты оказались достаточно устойчивы в воздухе и покладисты в пилотировании. В отзывах из частей, осваивавших новую машину, отмечалось: «Конструкция корабля ТБ-3 в основном вполне удовлетворительна, прочна и может выдержать самые неблагоприятные условия эксплуатации при условии увеличения надежности моторной группы», «…качество продукции завода № 22 в основном удовлетворительное, за исключением мелких дефектов… Наличие многих вмятин на обшивке, прорывов гофра, забоин, трещин около заклепок и в других местах, трещины в узлах, недотяжка болтов, отсутствие шплинтовки соединений… Бензиновые баки текут, главным образом по швам…» Краска, которой покрывали самолет, оказалась непригодной для металла — шелушилась, пузырилась и отлетала. В инструкции по эксплуатации печально констатировали: «…окраска, легко сползающая под влиянием дождя, а зачастую и просто в полете, не может выдержать даже бережного обмывания мягкими тряпками».

Особые нарекания вызывала установка мотора: разрушались водорадиаторы, текли и обрывались трубопроводы, порой ломались коленчатые валы двигателей. В строевых частях столкнулись и с другими неприятностями, например, трещинами в горизонтальных трубах тележек шасси. Свой вклад в эту картину внесли примитивные условия обслуживания на полевых аэродромах. Так, для того чтобы собрать ТБ-3, в частях попросту копали огромную яму с профилированными откосами, укладывали туда секции и соединяли их болтами. Это было куда легче, чем изготовление предписанной регламентом сложной многоярусной системы выставленных по нивелиру козлов.

Несмотря на впечатляющие характеристики новых бомбардировщиков, имелись и определенные недостатки, главным из которых была сравнительно небольшая дальность полетов машины подобного класса. Необходимость увеличения этого параметра особенно ощущалась в Забайкалье и на Дальнем Востоке, где потенциальные цели далеко отстояли от советской границы. В частях практиковали облегчение бомбардировщиков за счет снятия подкрыльевых башен, отдельных балок, а иногда и кассет, что экономило до 400 килограммов.

В 1933 году нашли и другие способы увеличения радиуса действия ТБ-3. Во-первых, начали летать на обедненных топливных смесях (много воздуха — мало топлива). При правильной регулировке карбюраторов это давало примерно 15-процентную прибавку к дальности полетов. Во-вторых, попробовали перейти со штатной для двигателя М-17[33] бензино-бензольной смеси на этилированный бензин.

В июне 1933 года два самолета, пилотируемые M. M. Громовым и А. Б. Юмашевым, за счет применения обедненной смеси и этилированного бензина показали дальность 3150 километров. Члены экипажей получили благодарность Реввоенсовета и денежную премию. Два месяца спустя Юмашев поднял в воздух модифицированный облегченный ТБ-3, с которого полностью убрали наружную подвеску бомб. Вместо этого в просторном фюзеляже установили дополнительные кассеты Дер-9. Теперь самолет мог нести на внутренней подвеске 36 стокилограммовых бомб. За счет «борьбы с весом» конструкторы выиграли более полутонны.

Все эти доработки проводились при самом непосредственном, постоянном и требовательном участии Андрея Николаевича.

Выступая 14 июля 1933 года на первой партийно-технической конференции КОСОС ЦАГИ, Андрей Николаевич удовлетворенно говорил: «…самолет ТБ-3 теперь строится всего за 18 тысяч рабочих часов. Что это за цифра? А вот что: американцы тратят 27 тысяч часов на трехмоторный самолет с двигателями по 200 л. с, причем все мелкие детали они получают со стороны. Мы же тратим теперь на самолет типа ТБ-3 только 18 тысяч часов. Это достижение получается как за счет серийности, так и за счет простоты конструкции»

Вообще 1933 год стал для 45-летнего Туполева годом наград. В феврале он был избран членом-корреспондентом АН СССР, в мае ему было присвоено звание заслуженного деятеля науки и техники, а в декабре, вслед за получением орденов Ленина и Красной Звезды, он был награжден орденом Трудового Красного Знамени СССР, учрежденным в 1928 году.