Строительство опытного образца нового самолета было завершено 11 августа 1925 года. Свое слово Туполев сдержал. Этот опытный образец первого в мире цельнометаллического тяжелого бомбардировщика послужил прототипом не только для выпускавшихся впоследствии серийных АНТ-4, но и для будущих поколений больших цельнометаллических самолетов. В разобранном виде самолет доставили на Центральный аэродром на Ходынском поле – туда, где в дальнейшем размещалось конструкторское бюро под руководством С.В.Ильюшина. По окончании сборки 26 ноября 1925 года летчик Аполлинарий Томашевский впервые поднял АНТ-4 в воздух. Несмотря на то что в то время самолет являлся самым большим из построенных в России (да и в мире в целом было всего несколько машин крупнее по габаритам), в ходе первых полетов выявилось, на удивление, мало проблем. Первый образец АНТ-4 не имел вооружения, а его система управления была рассчитана только на одного пилота. Выполнение программы испытаний было закончено 2 июля 1926 года, причем только за последние три недели было выполнено двадцать пять испытательных полетов. Было решено произвести доработку конструкции. Поначалу планировали было заменить двигатели «Лоррен-Дитрих» на более мощные той же фирмы, но в апреле 1927 года выбор пал на немецкие моторы «БМВ-VI», которые развивали мощность 500-600 л.с., а позднее, когда было освоено производство двигателей Микулина М-17, на АНТ-4 стали устанавливать микулинские двигатели.
Испытания «звена» Вахмистрова. Истребитель АНТ-5/И-4 на крыле авиаматки АНТ-4/ТБ-1. Из собрания К Удалова
Между тем в мастерских АГОС-ЦАГИ полным ходом шло строительство второго АНТ-4. Этот самолет имел уже 730-сильные двигатели «БМВ-VIZ». Кроме того, на трех турелях (в носовой, средней и хвостовой части фюзеляжа) монтировались пулеметы «Льюис». Самолет имел современную радиостанцию и оборудование для аэрофотосъемки. Строительство второй машины завершилось летом 1928 года, а первый полет состоялся 15 августа. Летные испытания продолжались до 26 марта 1929 года. В составленном по завершении испытательного цикла отчете самолет получил положительную оценку.
Нелегкими были пять лет, в течение которых шла работа над созданием нового самолета. Главные трудности, с которыми столкнулось советское самолетостроение, заключались в отсутствии необходимых металлов. Однако с обнаружением месторождений бокситов на севере страны и разработкой технологий производства высококачественных сплавов удалось-таки поставить точку в истории зависимости страны от импортных поставок металлов. АНТ-4 запускается в серию на Московском авиазаводе № 22, возглавляет проект Владимир Петляков. Постройка первого серийного самолета с двигателями «БМВ- VI» мощностью от 500 до 680 л.с. завершена в июле 1929 года. С 1 августа по 19 октября идут приемочные испытания, и затем в течение трех лет 22-й завод выпускает 216 самолетов АНТ-4.
В Военно-Воздушных Силах АНТ-4 получает обозначение ТБ-1 (тяжелый бомбардировщик). Это первый тяжелый бомбардировщик в истории советских ВВС. В строевых авиачастях экипаж самолета насчитывал шесть человек, включая трех бортстрелков, в распоряжении каждого из которых имелся спаренный пулемет конструкции Дегтярева. Кроме того, ТБ-1 нес до одной тонны бомбовой нагрузки. Вес пустого самолета составлял 4 520 кг, стандартный взлетный вес – первоначально 6 500 кг, а впоследствии – 6 810 кг. Конструкция самолета предусматривала подвеску дополнительных топливных баков, которые позволяли значительно повысить боевые возможности ТБ-1, за счет этого максимальный взлетный вес доходил до 8 790 кг.
Наличие самолета с такой дальностью полета и такими характеристиками, какие имел АНТ-4, предоставляло советскому руководству небывалые возможности. Речь в первую очередь шла о дальних перелетах. Для начала организовали относительно короткий (около 1 600 км) беспосадочный полет из Москвы до Воронежа и обратно. Все прошло удачно. И уже вскоре Сталин дает «добро» на межконтинентальный перелет. Конечная цель перелета – Нью- Йорк. Несмотря на то что маршрут полета через Атлантику короче, протяженный участок трассы над океаном сочли трудноватым, кроме того, утрачивался пропагандистский момент, связанный с возможностью посадок в крупнейших городах Советского Союза. В итоге был выбран восточный вариант маршрута, при котором общее расстояние увеличивалось более чем вдвое. Для перелета подготовили две машины, с которых демонтировали вооружение.
8 августа 1929 года командир экипажа Семен Шестаков и второй пилот Болотов взлетают с московского аэродрома на АНТ-4, названном «Страна Советов». Однако во время вынужденной посадки в Омской области самолет получает повреждения, и экипаж возвращается в Москву. Через пятнадцать дней следует новая попытка совершить дальний перелет на втором самолете под тем же названием. На этот раз летчикам сопутствует удача. Маршрут полета проходит через Омск, Новосибирск, Красноярск, Читу и Хабаровск. В Хабаровске колесное шасси заменяют на поплавки, и в таком виде Шестаков и Болотов пилотируют самолет на протяжении следующих 7 950 километров трассы до островов Стюарт и Ситка Алеутской группы островов. На Алеутах – снова вынужденная посадка, на этот раз – из-за неисправности двигателя. Мотор приходится заменять. Благодаря тщательному планированию перелета запасной двигатель прибыл на Алеутские острова довольно скоро. Экипаж снова в полете, очередная посадка – в Сиэттле. Здесь поплавки опять уступают место колесному шасси. Следующие пункты маршрута – Сан-Франциско, Чикаго, Детройт и, наконец, Нью-Йорк, куда АНТ-4 прибывает 3 ноября. За 137 часов полетного времени самолет преодолел 21 242 километра. Американцы в первый (но далеко не последний!) раз видят туполевскую машину. Обратный путь в Советский Союз самолет, выкрашенный в символизирующий мир белый цвет, совершает на борту парохода.
Тем временем советская индустрия набирает темпы. КБ авиадвигателей под руководством Александра Микулина разработало отечественный вариант мотора «БМВ-VI», который получил обозначение М-17. По техническим параметрам советский двигатель несколько уступал своему германскому прародителю: с фирменными моторами «БМВ» АНТ-4 развивал скорость на 12 км/час больше и имел рабочий потолок на 100 м выше. Тем не менее создание собственного двигателя было значительным достижением отечественного моторостроения как с точки зрения народного хозяйства, так и в плане развития технической мысли.
Одной из существенных сфер применения АНТ-4 стало их довольно широкое использование в различных программах летных испытаний. Кроме самолета с дополнительными топливными баками, был построен вариант с ускорительными устройствами, которые устанавливались парами сверху и снизу каждой плоскости, по три пары с каждого борта. Эти устройства – предшественники появившихся позднее реактивных ускорителей – сокращали время взлета примерно с двадцати семи до пяти секунд. Кроме того, ускорители использовались в конструкции т.н. «Звена», разработанного инженером НИИ ВВС В.С.Вахмистровым. Он предложил устанавливать на плоскостях дальних бомбардировщиков истребители: при взлете запускались все двигатели, после чего истребители сбрасывали газ и находились в таком режиме до нужного момента. За счет этого значительно увеличивалась дальность полета истребителей при выполнении задач сопровождения: получалось, что бомбардировщик на собственных крыльях доставлял в глубокий тыл противника необходимое ему прикрытие. По окончании выполнения задачи истребители могли снова стыковаться с самолетом- носителем и таким способом вернуться на свой аэродром. Надо сказать, что такая идея отрабатывалась в некоторых странах и раньше, однако в качестве самолета-носителя выступал тогда не самолет, а дирижабль.
Идея Вахмистрова встретила поддержку, и он приступил к ее проработке. Была разработана трехзамковая система зацепления каждого истребителя, в хвостовой части предусматривался защелкивающийся замок, при помощи которого производился захват истребителя в момент возвращения на носитель. Вся конструкция называлась «Звеном». Первым самолетом-носителем стал АНТ-4/ТБ-1, позднее аналогичная конструкция была установлена на АНТ-6/ТБ-3. В ходе первых испытаний системы «Звено-1» на крыло АНТ-4 смонтировали шарнирные пирамиды и стойки, а для установки истребителей (двух АНТ-5/И-4) использовали деревянные аппарели. Самая большая трудность заключалась в том, чтобы добиться разрешения на выполнение первого пробного полета. Первоначально Вахмистров хотел сам подняться в воздух в качестве второго пилота и лично произвести сброс истребителей, но командование аэродрома посчитало, что для такой задачи подходит только профессиональный пилот соответствующего класса. После небольшого спора Вахмистрову с помощником разрешили отправиться в полет в кабине одного из бортстрелков. АНТ-4 пилотировал А.И.Залевский, а пилотами истребителей были В.П.Чкалов, к тому времени – самый известный советский летчик, и А.Ф.Анисимов. Взлет прошел нормально, но затем в результате ошибки второго пилота произошло преждевременное отцепление чкаловского истребителя. Катастрофы удалось избежать только благодаря исключительному летному мастерству Валерия Павловича… Через несколько секунд отделяется и истребитель Анисимова: это доказывает, что отделение истребителей не обязательно должно происходить одновременно. За выполнение задания все три пилота, а также сам Вахмистров были награждены орденами Красной Звезды. Разработку конструкции В.С.Вахмистров продолжает вплоть до 1940 года, однако в результате разгула сталинских репрессий конца 30-х годов многие высокопоставленные сторонники проекта оказываются за решеткой. Репрессии, а также увеличение дальности полета самолетов истребительной авиации постепенно приводят к тому, что Вахмистров отказывается от своих замыслов.