Советская тяжелобомбардировочная авиация становилась грозной силой. В 1934 г. в маневрах Белорусского военного округа участвовало более 320 ТБ-3. А в 1935 г. количество этих четырехмоторных бомбовозов в строю ВВС РККА достигло своего пика – ими полностью или частично были вооружены 36 эскадрилий. Во время первомайского парада 1935 г. над Москвой прошли 72 туполевских гиганта. В 1936 г. началось формирование авиационных армий особого назначения (АОН). Каждая из них насчитывала 250-260 самолетов, к т. ч. 150-170ТБ-3, а также располагала истребительной, разведывательной и легкобомбардировочной авиацией.
Разумеется, не все шло гладко. 8 полевых условиях выявилась слабость вилки хвостового колеса ТБ-ЗР (этот дефект даже включили в список наиболее частых поломок), нередко встречались трещины в моторамах, нервюрах оперения, верхнем узле хвостовой колонки, деревянных винтах, наблюдалось смятие дисков колес. Довольно долго мучились с разрушением и течью водяных радиаторов: трещины возникали поело 10-20 ч эксплуатации. В августе-сентябре 1936 г. только в одной 29-й ТБАБ было 12 таких случаев, а том число 3 – с вынужденными посадками. В Ленинградском округе в июне 1937 г. из-за подобных неисправностей простаивало 39 ТБ-ЗР (около половины всего парка). Имелись претензии и к оборудованию. Так, о Забайкалье фиксировали большой процент отказов радиостанций.
Боеспособность страдала от нехватки прицелов и некоторых типов приборов (в 23-й ТБАБ только 7 из 36 машин имели бомбовые прицелы). Но, несмотря на эти недостатки, самолет достаточно успешно осваивался в войсках, демонстрируя временами удивительные примеры эксплуатационной надежности и живучести в сложных ситуациях. В ВВС ОКДВА. например, ТБ-3 работали в условиях зимних половых лагерей при температуре до -51 °С.
ТБ-3 активно использовались в качестве транспортных машин. постоянно привлекаюсь как для воздушно-десантных операций, так и для срочной переброски войск и грузов. В СССР фактически впервые в мирз отрабатывались крупные парашютные и посадочные десанты с доставкой артиллерии и бронетанковой техники. В 1935 г. под Киевом ТБ-3 перевезли 3700 десантников с техникой, а на маневрах в Белоруссии • 5700 человек. Такие учения осуществлялись регулярно по всей стране. 29-я ТБАБ весной 1936 г. в районе станции Оловянная в Забайкалье комбинированным способом (на парашютах и посадочным методом на захваченный десантом аэродром) выбросила целый полк со станковыми пулеметами, противотанковыми, полевыми и безоткатными пушками. Тяжелобомбардировочные части активно привлекались и к снабжению войск в отдаленных районах Сибири, Дальнего Востока и Средней Азии. Одна только 29-я ТБАБ на Дальнем Востоке за 1938 г. перевезла 570 человек и 136, 4 т грузов.
ТБ-3 ранних выпусков передавались и в авиашколы, в частности, в Ейскую и Оренбургскую. Интересно, что в 1936 г. в учебных заведениях провели эксперимент по переводу моторов М-17 на спирт. Но новшество не привилось – то ли это как-то отрицательно повлияло на двигатели, то ли механики потребляли спирт быстрее самолетов.
К 1938 г. ТБ-3 уже основательно устарел, но заменить его оказалось нечем. Самолет ДВА В. РФ. Болховитинова, являвшийся еще одной попыткой модернизации ТБ-3, успеха не имел. Создававшийся с 1934 г ТБ-7 доводился очень медленно и попал о войска лишь о 1941 г. С весны 1938 г. часть полков и дивизий дальней авиации (в том году перешли на новую структуру ВВС) начала получать бомбардировщики ДБ-3. Например, в апреле 1936 г. их получили 26-я ТБАБ на Дальнем Востоке. Это вело к сокращению парка ТБ-3 в военной авиации, но машина Ильюшина не являлась полноценной заменой старому самолету, уступая, например, в грузоподъемности. Поэтому до самой Великой Отечественной войны четырехмоторный гиганты Туполева составляли костяк тяжелобомбардировочной авиации.