Самолет завершили к 7 марта 1934 года и через три дня в разобранном виде отправили из Москвы в Севастополь, где находилось Морское отделение экспериментально-летных испытаний и доводки (МОЭЛИД) ЦАГИ. Там машину собрали, провели регулировку и подготовили к первому вылету.
8 апреля 1934 года летчик-испытатель Т. В. Рябенко совершил первый полет на опытном варианте гидросамолета АНТ-27, разработанного в ОКБ А. Н. Туполева, позже получившего обозначение МДР-4. В последующих полетах АНТ-27 пилотировал А. А. Волынский. В испытаниях принял участие И. И. Погосский, неоднократно лично поднимавшийся в воздух. В целом полеты проходили нормально, летчики лишь жаловались на поведение самолета при взлете, т. к. он непривычно реагировал на принятый в то время разбег с раскачкой.
15 апреля 1934 года как раз на таком этапе полета произошла трагедия. Свидетелем катастрофы был Туполев, которого Погосский вызвал из Москвы помочь разобраться со «странным» взлетом АНТ-27. Туполев находился на катере поблизости – катастрофа произошла у него на глазах.
После небольшой раскачки самолет пошел на взлет и у выхода из бухты встретился с высокой волной с открытого моря. Ударившись о первую волну, машина взмыла, а затем со страшной силой врезалась в следующую. Подкосы среднего мотора не выдержали, и двигатель рухнул на кабину. Погибли И. И. Погосский, А. А. Волынский, инженер ЦАГИ Г. С. Носков и инженер ЦИАМ К. К. Синельников.
С Иваном Ивановичем Погосским Туполев был знаком два десятка лет. Гибель друга и соратника тяжело отразилась на Туполеве. По возвращении в Москву Туполев даже несколько дней не появлялся в ОКБ. Это было единственный раз за всю его биографию.
После этой трагедии бригаду морских самолетов возглавил А. П. Голубков. Дальнейшие испытания велись на «дублере», втором опытном экземпляре, обозначенном АНТ-27бис. Он отличался от первой машины. Проектные работы по нему начали с 24 апреля, почти сразу после катастрофы. Не сводя все к проблеме раскачки, на этом самолете усилили подкосы крепления мотоустановок, внесли также и другие конструкторские изменения. АНТ-27бис получился примерно на 200 кг легче своего предшественника.
29 октября 1934 года из гавани Севастополя Т. В. Рябенко совершил на ней первый полет. Заводские испытания шли до 8 марта 1935 года. В отчете по заводским испытаниям записано, что МДР-4 «обладает хорошими гидродинамическими качествами, высокими летными качествами, простотой управления в полете, простотой взлета и посадки». По отзывам летчиков, самолет был устойчив, хорошо балансировался на любой скорости, легко выполнял виражи. Из недостатков пилоты отметили тенденцию к кабрированию после отрыва от воды и затрудненное руление при сильном ветре (во время разворота по ветру поплавки и концы крыла зарывались в воду).
В целом на фоне техники, которой располагали передовые западные страны, МДР-4 смотрелся слабо – в штабе авиации ВМФ заявили, что «в боевых условиях летать над эскадрами противника на таких машинах можно только ночью». Фактически это был уже морально устаревший самолет. Но конкурентов в СССР у него не имелось, а потому НИИ ВВС рекомендовал принять его на вооружение при условии наращивания мощности силовой установки.
В мае 1935 года «дублер» вышел на испытания с новыми двигателями. А 23 сентября того же года АНТ-27бис потерпел катастрофу. В полете полотно на одной из консолей сначала вспучилось, а затем начало отрываться кусками. Пилот И. Ф. Якименко решил совершить вынужденную посадку, но лодка коснулась воды на большой скорости, а при пробеге потеряла устойчивость и наскочила на скалу. Самолет вспыхнул.
Погибли летчик, начальник МОЭЛИД А. Е. Ведмедер и механик моторного завода № 24 М. Д. Смирнов. Причиной катастрофы признали устаревшую технологию крепления полотняной обтяжки. Установка новых моторов несколько увеличила нагрузки, и, возможно, проявились незамеченные дефекты прошивки.
В 1935 году помощник начальника Морских сил РККА по авиации В. К. Бергстрем докладывал начальнику ВВС Я. И. Алкснису: «15 апреля 1934 года, в первом же полете, МДР-4 был разбит, экипаж погиб. Причина – безобразная организация полета. В 1935 году построили дублер с опасными для полета дефектами (пожарная небезопасность, вибрация оперения и т. д.)».
И все же судьба «дублера» не повлияла на решение о серийном производстве. В начале 1936 года МДР-4 был официально принят на вооружение ВВС РККА как «переходный». Это означало, что машина будет эксплуатироваться временно, до поступления более современной техники.
Гидросамолет запустили в серийное производство на заводе № 31 в Таганроге. Но предприятие, строившее в основном деревянные самолеты, осваивало МДР-4 с большим трудом и к новому году выпустило пять машин. Заводские испытания головного самолета начались 29 апреля 1936 года и проходили в двух вариантах загрузки – разведчик и бомбардировщик. В план 1937 года включили 10 МДР-4.
