Первую эскадрилью гигантов хотели разместить на Щелковском аэродроме, где в проект реконструкции заложили стоянки и полосу соответствующих размеров. Толщина бетона должна была выдержать вес гиганта с полной заправкой и предельной бомбовой нагрузкой. Эту длинную и широкую полосу потом неоднократно использовали для различных рекордных полетов. Именно с нее улетали в Америку Чкалов и Громов.
Серийное производство ТБ-4 намеревались вести до 1937 г. Предполагалось, что к этому времени эти «линкоры 1-го класса» составят 40% парка тяжелобомбардировочной авиации. К 1 января 1938 г. в строю ВВС РККА предполагали иметь 288 ТБ-4.
Но реально в феврале 1933 г. на Центральный аэродром только начали вывозить готовые узлы гигантского бомбовоза. Цеха, где можно было бы собрать столь огромную машину, в Москве не нашлось. Ее собирали и регулировали прямо на летном поле, построив многоярусные леса. Процесс этот шел долго — вплоть до июля. Самолет так и не укомплектовали полностью. В частности, турели смонтировали без пушек и пулеметов. Вместо радиостанции 11-СК на самолете стоял макет. Радиопеленгатор отсутствовал. Даже при этом взлетный вес превышал расчетный примерно на две тонны, достигнув 33 т.
3 июля 1933 г. М.М. Громов впервые поднял бомбардировщик в небо. Оценка, данная им самолету после нескольких первых полетов, была довольно высокой. Пилот счел, что осуществление взлета и посадки достаточно просто, в полете машина устойчива и послушна. Рапорт ЦАГИ гласил: «Результаты вполне благоприятны». Но усилия на штурвале и педалях были очень велики. С педалями вообще творилось что-то странное. Нагрузки «скакали», то увеличиваясь, то уменьшаясь.
Самолет почти две недели простоял на земле. Потом решили еще раз слетать для уточнения характеристик устойчивости, но обнаружили разрыв главного тормозного цилиндра. 22 июля Громов опять поднялся в воздух. Появилась гипотеза, что имеет место перекомпенсация руля направления. При одном из последующих полетов, 5 августа, с тандемной установки сорвало задний капот, который ударом расколол винт.
Самолет поставили на ремонт. Воспользовавшись паузой, переделали оперение. Изменили угол установки стабилизатора, подрезали руль направления. Это действительно улучшило путевую устойчивость. В то же время на самолете поставили новые винты: это благотворно сказалось на максимальной скорости.
В сентябре 1933 г. ТБ-4 передали в НИИ ВВС на государственные испытания. Там на нем летал экипаж П.М. Стефановского. Стефановский позднее писал в своих мемуарах о новом самолете: «Он просто потрясал!».
23 сентября машину приняли у ЦАГИ, затем неделя ушла на устранение мелких дефектов, и с 29 сентября начались испытательные полеты. Результаты их выглядели неоднозначно.
С одной стороны, в отчете НИИ было записано: «Выпуск самолета ТБ4-6М34 с полетным весом 33 тонны является, несомненно, крупнейшим достижением Советского самолетостроения». С другой, на акте утверждения отчета начальник ВВС Я.И. Алкснис начертал резолюцию: «Констатирую, что в предъявленном виде самолет ТБ4-6М34 государственных испытаний не выдержал и к серийной постройке не может быть допущен». Причиной столь резкой реакции начальника ВВС РККА стал ряд существенных недостатков, выявленных в НИИ ВВС.
Пилотирование гиганта оказалось не столь простым, как уверял Стефановского Громов. В отчете записано: «Взлет и посадка вследствие недостаточной мощности рулей высоты сложны и требуют согласованной работы обязательно двух летчиков. Самолет трудно отрывается от земли, имея разбег около 800 метров». Дело в том, что управление электроприводом стабилизатора поставили только у второго пилота. Командир действовал штурвалом, а второй пилот по его командам включал и выключал электромотор. При этом кнопки он искал на ощупь, держа штурвал одной рукой. Учитывая, что нагрузки на штурвале были очень велики, и его запросто могло вырвать, испытатели и пришли к такому разделению труда — один держит штурвал, а второй включает и выключает.
На взлете приходилось дважды включать электромеханизм перестановки стабилизатора. При этом подъемник работал ненадежно. Один раз его отказ чуть не привел к катастрофе. Электромотор после взлета не выключился и продолжал выворачивать стабилизатор. Бомбардировщик задрал нос и начал быстро терять скорость. Вот тут выявился еще один существенный конструктивный недостаток — отсутствие связи пилотов со старшим бортгехником. На его месте в этом полете сидел инженер Л.И. Шевердинский. Наконец, Стефановскому удалось привлечь его внимание резким изменением оборотов одного из двигателей. Проблему решили обыкновенные кусачки — Шевердинский перерезал провод к электромотору. Сели без перестановки стабилизатора, используя многочисленный экипаж как живой балласт для изменения центровки. Летать, постоянно ожидая отказа управления, было просто страшновато.
