Некоторое количество самолетов ТБ-3 использовалось в составе бомбардировочной авиации в первые месяцы Великой Отечественной войны, а также для доставки срочных грузов к линии фронта и в партизанские районы. Общее количество построенных ТБ-3 составило 820 экземпляров.

Характеристики ТБ-3-4АМ-34РН: экипаж – 4–6 человек, силовая установка – 4 х МФ-34РН мощностью по 970 л. е., размах крыла – 41,85 м и его площадь – 234,5 м2, длина – 25,18 м, высота – 8,45 м, вес пустого – 12 585 кг, взлетный вес – 21 000 кг, максимальная скорость – 288 км/ч, дальность – 2470 км, практический потолок – 7740 м, вооружение – 5 пулеметов ШКАС калибра 7,62 мм и 4000 кг бомб.

В 1930 г. под руководством В.М. Петлякова началась разработка тяжелого бомбардировщика ТБ-4 (АНТ-16), представлявшего собой дальнейшее развитие ТБ-3 в сторону увеличения габаритных размеров и полетного веса самолета. ТБ-4 оснащался шестью двигателями М-34, два из которых устанавливались в тандемной установке над фюзеляжем. В фюзеляже имелись два бомбоотсека размерами 5,0 х 1,8 х 1,8 м, в каждом при номинальной загрузке можно было подвесить 4000 кг бомб. Бомбовые отсеки таких габаритов в фюзеляже были сделаны впервые в мире. Кроме этого, имелись наружные подвески, которые в перегрузочном варианте позволяли увеличить бомбовую нагрузку до 10 000 кг бомб. Оборонительное вооружение включало две 20-мм пушки и десять 7,52-мм пулеметов.

Первый полет опытной машины состоялся 3 июля 1933 г. под управлением летчика-испытателя М.М. Громова. В первом же полете выяснилось, что летчику необходимо прикладывать очень большие усилия к органам управления, чтобы машина нормально держалась в воздухе. Аэродинамические поверхности управления самолетом доработали, увеличив их площадь. Через несколько недель М.М. Громов вновь взлетел на ТБ-4, но оказалось, что теперь даже при незначительных усилиях на органы управления машина начинает реагировать на них. В конечном счете после ряда конструктивных доработок эту проблему решили.

Летные испытания закончились 29 сентября 1933 г. Оказалось, что ТБ-4 мог нести 5000 кг бомб только на дальность 775 км, 4000 кг бомб – на 1000 км, а потолок не превысил 2750 м. По этим характеристикам ТБ-4 уступал бомбардировщику ТБ-3. Самолет ТБ-4 не был принят, поэтому все работы по нему были свернуты в конце 1933 г., но все наработки использовались при создании еще большего самолета АНТ-20 «Максим Горький».

Характеристики ТБ-4: экипаж – 8-12 человек, силовая установка – 6 х М-34 мощностью по 830 л. е., размах крыла – 54,0 м и его площадь – 422,0 м2, длина – 32,0 м, вес пустого – 21 400 кг, взлетный вес – 33 280 кг, максимальная скорость – 200 км/ч, дальность – 1000 км, практический потолок – 2750 м, вооружение – 2 пушки калибра 20 мм, 10 пулеметов ШКАС калибра 7,62 мм и 4000 кг бомб (в перегрузку 10 000 кг).

Весной 1930 г. под руководством Д.П. Григоровича началась разработка проекта тяжелого бомбардировщика ТБ-5. Самолет с разнесенным хвостовым оперением должен был оснащаться двумя двигателями ФЭД мощностью 800-1000 л. с.

В бомбовом отсеке были держатели для внутренней подвески бомб общим весом до 2500 кг. В качестве оборонительного оружия имелись четыре пулемета ПВ-1, по два пулемета в носовой и хвостовой башнях. В процессе разработки выяснилось, что двигатели ФЭД не удается доработать, поэтому каждый из них был заменен тандемной установкой из двух двигателей «Юпитер-VI».

Самолет приступил к летным испытаниям 1 мая 1931 г. Испытания показали, что самолет плохо набирает высоту, велик разбег, максимальная скорость не достигает 180 км/ч. Причиной была плохая тяга тандемных установок звездообразных двигателей, особенно задних винтов, из-за неблагоприятных условий их работы. Испытания затянулись. Весной 1932 г. в одном из полетов, которые проводил М.М. Громов, загорелся один из двигателей. М.М. Громов сумел перевести машину в резкое снижение, сбить пламя с двигателя и благополучно совершить посадку. Испытания самолета так и не были доведены до конца, так как по своей схеме самолет уже был отсталым для 1932 г. и никакая модернизация не могла бы помочь.

Характеристики ТБ-5: экипаж – 12 человек, силовая установка – 4 х «Юпитер-VI» мощностью по 450 л. е., размах крыла – 31,0 м и его площадь – 150,0 м2, длина – 22,1 м, вес пустого – 7483 кг, взлетный вес – 12 535 кг, максимальная скорость – 180 км/ч, практический потолок – 2500 м, вооружение – 4 пулемета ПВ-1 калибра 7,62 мм и 2500 кг бомб.

В 1929 г. бригада В.М. Петлякова в ЦАГИ разрабатывала проект 70-тонного самолета ТБ-6 (АНТ-26) и его транспортного варианта АНТ-28. Размах крыла этого гигантского самолета составлял 95 м, а площадь крыла – около 800 м2. Силовая установка состояла из 12 двигателей М-34ФРН, шесть из которых устанавливались на передней кромке крыла, два – на задней кромке около каждой законцовки крыла и четыре тандемные сборки с тянущими и толкающими винтами – на опорах над крылом. Экипаж самолета должен был состоять из двадцати человек, включая четырех стрелков у фюзеляжных пулеметных установок и четырех стрелков у пушечных установок (1 сверху на фюзеляже, 1 хвостовая и 2 крыльевые в гондолах толкающих двигателей). Максимальная расчетная скорость бомбардировщика не превышала 300 км/ч, полезная нагрузка – 25 т. Была построена двухместная геометрически подобная модель-планер с размахом крыла 20 м и испытана в полете со снятием характеристик. Однако неутешительные результаты разработки ТБ-4 привели к отказу от разработки бомбардировщика-гиганта ТБ-6.

В июле 1934 г. бригада В.М. Петлякова в ЦАГИ начала разработку тяжелого четырехдвигательного бомбардировщика АНТ-42. Первый полет опытной машины с двигателями М-100 состоялся 27 декабря 1936 г. Во время дальнейших испытаний были достигнуты максимальная скорость 403 км/ч и практический потолок 10 800 м, что соответствовало параметрам технического задания. В апреле 1936 г. началась постройка второй машины, на которую поставили двигатели АМ-34ФРНВ мощностью по 1000 л. е., испытания второй машины были закончены к июлю 1938 г., к тому времени уже началось серийное производство самолета под обозначением ТБ-7.

В 1939 г. самолет ТБ-7 доработали под установку новых двигателей АМ-35А мощностью по 1200 л. е., что позволило увеличить взлетный вес машины до 27 000 кг, а максимальную скорость до 427 км/ч. Дальность также увеличилась, теперь ТВ-7 мог нести бомбовую нагрузку весом 2000 кг на дальность 4700 км, но практический потолок снизился до 9300 м.

Позднее из-за нехватки двигателей АМ-35А некоторые самолеты ТБ-7 оснащались дизельными двигателями М-40, что привело к существенному увеличению дальности полета. Однако М-40 оказались ненадежными, что привело к продолжению использования двигателей АМ-35А. Но из-за того, что двигатели АМ-35А требовались для истребителей МиГ-3, на ТБ-7 стали устанавливать двигатели АШ-82ФН. Общее количество построенных ТБ-7 составило 93 экземпляра.

Военная карьера ТБ-7 началась 8 августа 1941 г., когда самолеты двух эскадрилий 412-го полка бомбардировщиков дальнего действия из 81-й авиационной дивизии бомбили Берлин. Две ночи спустя, взлетев с аэродрома под Ленинградом, они снова отбомбились по Берлину; каждый из бомбардировщиков нес по шесть бомб ФАБ-500 весом по 500 кг. В сентябре 1941 г. ТБ-7 бомбили занятый нацистами Бухарест, а в 1942 г. Пе-8 (так стали называться ТБ-7 после смерти В.М. Петлякова) обеспечивали поддержку советских войск при обороне Сталинграда, осуществляя бомбовые удары по немецким позициям. 5 апреля 1943 г. при налете на Кенигсберг самолеты Пе-8 впервые применили 5000-кг бомбы (ФАБ-5000НГ), предназначенные для точных атак специальных целей, в июне такие бомбы применялись в сражении под Курском против танковых соединений вермахта.