Основные работы по постройке первого опытного АНТ-42 закончились 9 ноября 1936 г., после этого самолет по частям переправили на Центральный аэродром Москвы. Здесь, в цехе ОЭЛИД (отдел эксплуатации, летных испытаний и доводки), в течение месяца произвели его окончательную сборку. 23 декабря были получены двигатели АМ-34ФРН, которые в течение трех дней установили на места и провели пробные запуски. Утром 27 декабря 1936 г. шеф-пилот ЦАГИ Михаил Громов совершил на АНТ-42 первый полет, отметив нормальное функционирование всех систем и агрегатов, достаточную устойчивость и управляемость самолета в воздухе. До 20 марта 1937 г. Громов выполнил еще 14 полноценных испытательных полетов, позволивших выявить недостатки и недоработки машины. Признавалось, что достигнутая максимальная скорость 370 км/ч недостаточна, но резервы для ее повышения есть. Кроме того, требовалось увеличить эффективность руля поворота, доработать винтомоторную группу, дополнить приборное оборудование.
В ходе доводочных работ, которые начались в конце марта 1937 г., на самолете установили новые моторы АМ-34ФРН с измененной системой охлаждения. В новом варианте все четыре водяных радиатора разместили попарно под внутренними двигателями, в мотогондолах, переходящих в обтекатели шасси в убранном положении. Лишенные радиаторов мотогондолы внешних двигателей стали более обтекаемыми, что заметно улучшило аэродинамику всего самолета. Одновременно в фюзеляже поставили АЦН.
После проведения этих работ АНТ-42 выполнил еще 3 пробных полета с Центрального аэродрома. Однако вскоре он должен был закрыться на капитальную реконструкцию, что заставило испытательский коллектив вместе с самолетом искать новое место базирования. Аэродром НИИ ВВС в Щелково также оказался не готов к приему огромного бомбовоза, поэтому заводская команда перебралась на небольшой подмосковный аэродром в Подлипки. Здесь в первом же полете самолет, пилотируемый летчиком В.В. Рыбушкиным, потерпел аварию при посадке, в результате которой было сломано шасси, деформированы моторамы двигателей, смята кабина штурмана.
Восстановление опытного экземпляра затянулось до 1 августа 1937 г. В первой декаде августа в Подлипки прибыла испытательная бригада НИИ ВВС во главе с летчиком-испытателем П.М. Стефановским. После кропотливого и придирчивого изучения самолета военные летчики перегнали его на базу в Щелково, причем этот небольшой по длительности перелет засчитали как контрольный облет после ремонта.
Государственные испытания АНТ-42 проходили с 11 августа по 28 октября 1937 г. При полетной массе 23860 кг получили максимальную скорость 403 км/ч на высоте 8 км (368 км/ч на 10 км). Дальность при взлетной массе 28000 кг (2 т бомб) определяли в 3000 км. На основании испытаний было сделано заключение: «Самолет по своим летно-тактическим данным является современным. Имеющаяся скорость 403 км/ч на Н=8000 м делает его мало уязвимым на этой высоте и выше современными истребителями». К недостаткам самолета отнесли недоведенность винтомоторной группы, отсутствие серийных двигателей АМ-34ФРНВ (при испытаниях использовались двигатели, не прошедшие до конца Госиспытания), тяжелое управление. Масса пустого самолета составила 18000 кг и считалась завышенной, огневая мощь оборонительных установок признавалась недостаточной и не соответствующей ТТТ ВВС.
В общем, недоработок хватало. Устранить их следовало до 10 декабря 1937 г. Сделать это оказалось совсем не просто, ибо к означенному сроку многие участники создания самолета были устранены от активной деятельности. Достаточно сказать, что были арестованы Туполев и Петляков, игравшие ведущую роль в судьбе АНТ-42. Главным конструктором самолета с этого момента и вплоть до 1945 г. стал Незваль. Первой задачей, которую ему удалось решить, было увеличение максимальной скорости бомбардировщика. Хотя полученные 403 км/ч в основном удовлетворяли заказчика, конструкторы понимали, что это далеко не предел, поэтому искали причины несоответствия полученных значений расчетным данным. Добиться увеличения полетной скорости АНТ-42 удалось весной 1938 г., причем при не совсем обычных обстоятельствах.