Учитывая первый опыт эксплуатации в частях, в серийные машины внесли ряд изменений. Все самолеты с конца 1932г. имели гладкий, а не гофрированный носок крыла. После резкого скачка на первых бомбардировщиках массы пустого самолета, вызванного примитивной технологией и заменой импортных легированных сталей отечественными более низкого качества, ТБ-3 облегчили за счет снятия части внутренних переборок, лестниц и прочих второстепенных элементов. С самолета №2236 (т. е. 36-й машины завода №22) на передней части фюзеляжа появились поручни, облегчающие покидание пилотской кабины с парашютом. С машины №22141 стали перекрывать металлическими лентами щели между фюзеляжем и крылом. Моторы М-17 и М-17Б сменили более мощные М-17Ф.
Еще осенью 1931 г. задумывали заменить М-17 на полностью отечественные двигатели М-34 (635/630 л. с. ) конструкции Л. А. Микулина Рассчитывали, что это поднимет и скорость, и практический потолок самолета. Новыми моторами и январе 1933 г. оснастили бомбардировщик №2221. Заводские испытания начались 8 марта, а 29 мая эта машина потерпел аварию на взлете. Реальный прирост скорости, определенный на испытаниях, оказался невелик • около 10 км/ч. Затем М-34 установили еще на три самолета. Два из них (№22203 и №22204) 27 сентября передали на государственные испытания. В НИИ ВВС определили. что по сравнению с машинами с М-17 скороподъемность улучшилась незначительно, а максимальная скорость деже снизилась. В итоге пришли к выводу, что для тихоходного ТБ-3 будут более выгодны редукторные М-34Р. позволявшие поднять к.п.д. винта при малых скоростях полета.
А тем временем М-34 все-таки внедрили на бомбардировщиках завода №22. поскольку это давало некоторое улучшение взлетных характеристик и позволило освоить новую мотоустановку, двигатели получили новые, более обтекаемые, капоты и новые радиаторы, перемещенные назад, под крыло. Ужо в ходе серийного производства с машины №22252 ввели "люльку" – выступ под носовой честью. Это позволило удобнее разместить штурмана при бомбометании. Одновременно появились дополнительные окна по бокам штурманской кабины. Моторы М-34 оценивались как временные и впоследствии уже в строевых частях заменялись М-34Р,
В сентябре 1933 г. на ТБ-3 №22202 поставили двигатели М-34Р (750/830л. с. ) с новыми винтами диаметром 4, 4 м. Не ограничившись этим, полностью изменили хвостовую часть. В фюзеляже появилась дополнительная секция Ф-4. где разместили кормовую турель Тур-6 с парой пулеметов ДА Первоначально она была изолированной от остальной части фюзеляжа, но вскоре ширину секции Ф-3 несколько увеличили и сделали в ней сквозной проход, разнеся по бортам тросы управления. Руль поворота подняли. изменив его контуры, а частности сделали вырез над турелью. Его площадь выросла на 0. 404 м? . Увеличили и площадь рулей высоты, одновременно подрезав их у фюзеляжа. Усилили килевую колонку. Резиновые амортизаторы шасси заменили масляно-воздушными. Задние колеса основных тележек получили гидравлические колодочные тормоза, позволившие примерно на четверть сократить дистанцию пробега. Кроме того. улучшилась и маневренность на земле, поскольку правую и левую тележки можно было притормаживать раздельно.
Верхние турели Тур-5 со спаренными пулеметами ДА