По завершении государственных приемочных испытаний ТБ-3 сразу начал поступать на вооружение строевых авиачастей. В 1932 году два авиазавода собирали по три самолета каждые два дня. Во время первомайских торжеств и ежегодного воздушного парада в Москве в 1932 году, т. е. всего через пять месяцев после первого полета серийного ТБ-3, над Красной площадью в строю прошло не менее девяти бомбардировщиков.
ТБ-3 участвовал в экспериментах по проекту Вахмистрова «Звено». Начиная с августа 1934 года бомбардировщик использовала в качестве авиаматки группа «Звено-2». Первоначально в эксперименте участвовали истребители конструкции Поликарпова И-5: один устанавливался на фюзеляж и два – на крылья. Позднее ТБ-3 использовали в качестве носителя для двух истребителей-монопланов И-3 Григоровича, которые на этот раз крепились под плоскостями. Все опыты по отделению истребителей прошли штатно, но Вахмистров справедливо предполагал, что основные трудности возникнут с возвращением самолетов на авиаматку.
23 марта 1935 году была предпринята первая (успешная!) попытка посадить истребитель на авиаматку в воздухе. Сначала с монинского аэродрома взлетает ТБ-3, за штурвалом которого П.М.Стефановский, а спустя несколько минут в воздух на истребителе И-3 поднимается Василий Степанченок. На высоте 2 000 м, как и намечено, два самолета начинают сближаться. Стефановский выпускает горизонтальный шест с прикрепленной к нему трапецией. Пилот истребителя аккуратно заходит под брюхо ТБ-3, летчики выравнивают скорости – и вот уже истребитель надежно захвачен трапецией. Эксперимент удался!
Опыты Вахмистрова достигают пика в ноябре 1935 года. Авиаматка – бомбардировщик ТБ-3 с тремя И-5 на плоскостях и фюзеляже и двумя И-16 конструкции Поликарпова под крыльями – поднимается на высоту 2 000 м, и здесь летчик Степанченок повторяет эксперимент с закреплением истребителя И-3 под фюзеляжем. Затем все шесть истребителей отделяются от авиаматки и совершают посадку самостоятельно. Вахмистров продолжал разрабатывать свою идею вплоть до 1941 года, более того, в начале Великой Отечественной войны самолеты- авиаматки ограниченно участвовали в боевых операциях, но затем его изобретение утратило актуальность ввиду совершенствования конструкций истребителей, да и изменения технической политики в целом. К числу примеров участия в боевых действиях относится авиарейд с задачей уничтожить железнодорожный мост в районе Черноводска в августе 1941 года. После нескольких безуспешных вылетов истребительной авиации нанесение бомбового удара по мосту было поручено двум базировавшимся в Евпатории группам «Звено» 3-6СПБ, каждая – в составе АЦТ-6/ТБ-3 с двумя поликарповскими И-16. Истребители имели на внешней подвеске по одной 250-килограммовой авиабомбе. Задача была с успехом выполнена, но в целом таких операций было проведено немного, поскольку ТБ-3 к этому времени уже устарел и использовался только благодаря наличию у него тяжелого вооружения и броневой защиты. Бомбардировщик участвовал в боях в период советско-японского конфликта в 1938 году и поначалу представлял серьезную угрозу для японцев, но уже год спустя новые японские истребители одерживали победы в большинстве воздушных боев. К началу финской кампании 1939 года ТБ-3 использовался в основном в качестве транспортного самолета.
«Звено-2» на государственных испытаниях в августе 1933 года. На самолете АНТ-6/ТБ-3 установлены три истребителя И-5 конструкции Поликарпова. Из собрания М.Саукке
Командование ВВС применяло бомбардировщик ТБ-3 в ходе первых учений по выброске воздушных десантов. Во время одного из крупных учений на территории Киевского военного округа в 1937 году было произведено десантирование около 700 парашютистов. Конструктор П.И.Гроховский предложил вариант десантного оборудования, которое способно было обеспечивать выброску самой разнообразной боевой техники: от легкой бронированной машины Т-27 до четырехтонного грузовика Т-37, который десантировался на водную поверхность. При такой выброске высота полета должна была составлять всего около одного метра.
Вскоре после своего появления на свет самолет ТБ-3 получил мировое признание за выдающиеся по тем временам габариты и формы. На самолете было совершено несколько дружественных визитов в зарубежные страны. Зимой 1933-34 гг. девять машин вывели из боевого состава ВВС, демонтировали вооружение и перекрасили в белый цвет, символизирующий добрую волю. В течение следующего лета на этих самолетах группами по три единицы были выполнены перелеты по маршрутам Москва – Варшава – Москва (29 июля – 1 августа) и Москва – Киев – Вена – Париж – Лион – Страсбург – Прага – Москва (с 5 по 17 августа). Командирами экипажей в обоих перелетах были летчики Байдуков, Ефимов и Леонов. Еще один перелет был осуществлен группой из трех ТБ-3 под командованием летчиков Соколова, Головачева и Рябченко 5-16 августа по маршруту Москва – Киев – Харьков – Рим – Вена – Москва. Надо сказать, что визит в Рим проводился в ответ на прилет итальянских летчиков в Одессу на летающих лодках SM-55, выпускавшихся фирмой «Савойя Маркетти».
На самолете ТБ-3 был установлен ряд мировых рекордов. В сентябре 1936 года летчик А.Юмашев поднял ТБ-3 с грузом 5 тонн на высоту 8 116 м. Месяц спустя в аналогичных условиях была достигнута высота 8 980 м. В сентябре следующего года с грузом 10 тонн Юмашев достиг высоты 6 605 м, а имея на борту 12 тонн груза – 2 700 м. В ходе всех рекордных полетов использовались самолеты ТБ-3 с двигателем АМ-34ФРН или ФРНВ с нагнетателем.
Эксперименты со «Звеном» продолжаются. Летчик Василий Степанченок на истребителе Григоровича И-2 закрепился под брюхом самолета ТБ-3. Март 1935 года. Из собрания К.Удалова
В середине 30-х годов часть военных ТБ-3 была переведена в состав гражданской авиации. Несколько таких машин с индексом Г-2 получило вновь созданное Туркменское управление «Аэрофлота», в котором они использовались как пассажирские лайнеры вместимостью 20 пассажиров, а также для выполнения грузовых перевозок. Четыре новых АНТ-6/Г-2 получило отделение полярной авиации «Аэрофлота», более известное как «Авиа Арктика». Эти самолеты изначально готовились для эксплуатации в условиях Арктики. В зимнее время на них устанавливалось лыжное шасси, а на короткий летний сезон, обычно, с начала июня, лыжи заменяли на колеса. Самолеты для Арктики тоже оборудовались двигателями АМ-34РН с нагнетателем. В кабинах таких самолетов устанавливалась система обогрева, кроме того, они имели тормозной парашют для посадки на укороченные полосы и дополнительное аварийно- спасательное оборудование. Именно эти самолеты и стали готовить для выполнения первого в истории полета к Северному полюсу.
Подготовка началась в марте 1936 года. Из Москвы на поиски базы для размещения основной экспедиции отправилась разведочная группа из двух самолетов. В результате поиска был выбран остров Рудольфа, самая северная точка территории Советского Союза: место для базирования «не идеальное, но и не невозможное». Летом 1936 года на острове возникает маленький поселок. Рядом оборудуется аэродром с хранилищем горючего и «передвижным домом». Отсюда снаряжается экспедиция «Северный полюс-1», которой предстоит дрейфовать на льдине в Северном Ледовитом океане.
Экспедицию планировал Отто Шмидт, которого прозвали «ледовым комиссаром». По его рекомендации командиром авиаотряда назначается Михаил Водопьянов. 22 марта 1937 года группа из пяти самолетов вылетает из Москвы. На борту – сорок три человека и груз припасов. Первым идет самолет Павла Головина АНТ-7, выполняющий в экспедиции функции разведчика. За ним следуют четыре АНТ-6 под командованием Михаила Водопьянова, Василия Молокова, Анатолия Алексеева и Ильи Мазурука. Группа совершает две промежуточные посадки: сначала в Архангельске, а затем – в Нарьян-Маре. Из-за неблагоприятных погодных условий, характерных для конца суровой русской зимы, на остров Рудольфа самолеты прибывают только 18 апреля. Здесь отряд проводит еще целый месяц. За это время Головину удается совершить несколько вылетов на разведку, во время одного из которых он пролетает над Северным полюсом. Постепенно погода улучшается. Наконец, в пять утра 21 мая Михаил Водопьянов стартует к полюсу. В 11.35 цель экспедиции достигнута! Водопьянов облетает полюс, находит примерно в двадцати километрах от него подходящую площадку и садится на лед. С самолета «СССР-Н170» Водопьянов докладывает обстановку по радио на остров Рудольфа. Спустя четыре дня прибывает и садится неподалеку самолет Алексеева, а на пятый день – самолет Молокова. Илья Мазурук на своем самолете прибыл 5 июня, но приземлился километрах в пятидесяти от полюса. Проходит месяц – и все четыре АНТ-6 вылетают в обратный путь на остров Рудольфа. На дрейфующей станции «Северный полюс-1», которая на тот момент находится в районе точки 88°54" с.ш. – 20° з.д., остается четверо ученых-исследователей. В феврале следующего года, когда два ледокола снимут участников экспедиции Ивана Папанина со льдины, координаты дрейфующей станции составят 70°54" с.ш. – 19°50" з.д. – практически у берегов Гренландии!