В частях самолеты постепенно доукомплектовали недостающим оборудованием. В ходе серийного производства усовершенствовали водяные радиаторы (ранние машины летом страдали от перегрева моторов), заменили импортные покрышки «Палмер» на большие по размеру отечественные. В 1932 г. производство ТБ-1 прекратили, на смену им пришли четырехмоторные ТБ-3.
Но двухмоторные бомбардировщики еще около двух лет сохраняли свое лидирующее положение. При этом машины подвергались модернизации. Для увеличения бомбовой нагрузки с февраля 1932 г. на части самолетов смонтировали дополнительные наружные бомбодержатели Дер-9, а затем мосты Дер-13-6. Последние получили более трети машин. Пулеметы «Льюис» обр. 1924 г., которые монтировались на всех ранних сериях, постепенно заменили отечественными ДА-2. Радиус действия ТБ-1 был сравнительно невелик, и для него разработали съемный бензобак, размешавшийся в бомбоотсеке. Затем запас горючего пополнили установкой дополнительных баков в крыле. Работали над химическим и реактивным (безоткатными пушками) вооружением бомбардировщика, но это так и осталось в рамках экспериментов. Не был завершен и комплекс ТМС-36 — два беспилотных ТБ-1, управлявшихся по радио операторами с самолета наведения. Такие летающие бомбы должны были поражать крупные и важные объекты, хорошо прикрытые средствами ПВО.
ТБ-1 стал первым самолетом, использованным в программе «Звено»; по проекту В.С. Вахмистрова он стал «летающим авианосцем». На его крыльях размещались два истребителя И-4, которые могли отделиться от носителя в воздухе.
Уже с 1932 г. бригады перевооружались на ТБ-3. К весне 1933 г. в ВВС остались всего четыре эскадрильи, оснащенные старой техникой. На первомайском параде ТБ-3 уже было вдвое больше, чем ТБ-1. Постепенно двухмоторные бомбардировщики оказались вытеснены на роль учебно-тренировочных и транспортных машин. Последние из них эксплуатировались как боевые до 1936 г. В Средней Азии одна эскадрилья летала на них до июня 1939 г., после чего перешла на СБ.
ТБ-1 в качестве бомбардировщиков ни разу не участвовали ни в одной войне. Но они позволили подготовить многочисленные кадры летного и наземного состава, отработать тактику боевого применения, технологию обслуживания самолетов. Именно на этих машинах прошли подготовку летчики, возглавившие затем огромные соединения тяжелых бомбардировщиков, ставших главной ударной силой ВВС РККА в середине 30-х годов.
Весной 1932 г. советская авиация получила первые «настоящие» тяжелые бомбардировщики — четырехмоторные ТБ-3. Задание на эту машину выдало в 1925 г. уже упоминавшееся Остехбюро. Тогда самолет назывался Т1-4РТЗ и рассматривался как специальная машина для перевозки громоздких грузов на наружной подвеске, вплоть до небольшого торпедного катера. Отсюда в проекте — высоченные широко расставленные стойки шасси. Но вскоре вмешалось Управление ВВС, которое выдало свое задание — на тяжелый дневной и ночной бомбардировщик. Проектирование вели в ЦАГИ под руководством А.Н. Туполева. Машина унаследовала многие черты предшественника, ТБ-1, но с увеличение масштабов. Из-за большой загрузки малочисленного тогда конструкторского бюро работа растянулась надолго, и опытный образец начали строить лишь в октябре 1929 г.
Туполевцы создали очень большой по тем временам цельнометаллический моноплан с четырьмя моторами Кэртис «Конкверор». Ничего подобного в нашей стране до тех пор не строили. Поэтому изготовление первого АНТ-6 (или ТБ-3, как его обозначило УВВС) тоже оказалось не быстрым. Первый полет состоялся 22 декабря 1930 г. Он был в основном готов к 28 сентября 1930 г. 31 октября самолет подготовили к испытаниям, но из-за ряда дефектов они начались только 22 декабря.
Первый полет, в котором машиной управлял экипаж М.М. Громова, чуть не закончился аварией — разболтались сектора газа, не имевшие надежной фиксации. В отчете потом написали: «Сектора ползают, механик поправляет».
На испытаниях самолет не столько летал, сколько его чинили и доделывали. Но результаты впечатляли. Итогом стала высокая оценка: «Самолет по своим летным данным — вполне современный тяжелый бомбардировщик, стоящий на одном уровне с лучшими иностранными самолетами». Можно даже сказать, что испытатели поскромничали — ни одна страна мира не имела тогда боевого самолета, подобного АНТ-6.
