В соответствии с этими требованиями и велась разработка «машины 42». По схеме самолет представлял собой дальнейшее развитие ТБ-3 и был весьма близок к нему по геометрическим размерам. На этапе эскизного проектирования внешний облик АНТ-42 заметно отличался от того самолета, который получился впоследствии. Это был четырехмоторный среднеплан с достаточно тонким фюзеляжем, из которого «верблюжьим» горбом выступал фонарь кабины пилотов. Верхняя оборонительная установка образовывала дополнительный уступ – впоследствии подобное решение использовали на первом опытном тяжелом морском бомбардировщике АНТ-44 (МТБ-2). Носовая установка представляла собой вращающуюся экранированную башню, а кормовая пушка поначалу не была прикрыта прозрачным обтекателем.
Конструктивно новая машина повторяла традиционную компоновку самолетов семейства АНТ, в которой планер отчетливо членился на отдельные агрегаты, а центроплан и центральная часть фюзеляжа являли собой одно целое. В то же время, освоение промышленностью ТБ-7 стало значительным шагом вперед с точки зрения использования новых материалов, технологий и оборудования. Прежде всего, это касалось применения гладкой обшивки, убираемого шасси и закрытых кабин экипажа. Стремление увеличить потолок самолета привело к неожиданному решению – в фюзеляже установили дополнительный двигатель М-100, так называемый агрегат центрального наддува (АЦН). Он являлся воздушным компрессором для остальных моторов и, по расчетам, мог обеспечить достижение самолетом боевой высоты 12 км.
Хотя к изготовлению первого опытного АНТ-42 предполагали приступить уже в апреле 1935 г., целый ряд причин оттянул начало работ до конца года. В частности, в тот период вели освоение новых высокопрочных дюралюминиевых сплавов типа ВВ и М-95, а также новой марки стали 30 ХГСА (хромансиль), которые использовали при изготовлении самолета.
Бригада В.М. Петлякова в период разработки АНТ-42. Слева направо сидят: В.К. Тетерин, В.М. Петляков, И.Ф. Незваль; стоят: А.В. Семенова, Г.С. Башкиров, Н.Е. Леонтьев
Сборка первого опытного экземпляра АНТ-42 на заводе опытных конструкций ЦАГИ. Июнь 1936 г.
Отрицательно на темпы работ по АНТ-42 повлияла катастрофа самолета АНТ-20 «Максим Горький», произошедшая в мае 1935 г. Восьмимоторный «Максим Горький» в значительной степени являлся детищем конструкторской бригады Петлякова, поэтому именно его сотрудникам пришлось заниматься исследованием причин разрушения и гибели воздушного гиганта. Последовавшее затем правительственное решение о выпуске целой серии самолетов типа «Максим Горький» на авиазаводе в Казани еще более загрузило конструкторский коллектив.
Во второй половине 1935 г. работа над созданием нового бомбардировщика активизировалась. В декабре, практически одновременно с утверждением эскизного проекта, рассмотрели и одобрили полноразмерный деревянный макет самолета, после чего последовало окончательное решение о постройке АНТ-42 на опытном заводе ЦАГИ ЗОК (завод опытных конструкций). Это предприятие, долгие годы функционировавшее в районе улицы Радио в Москве, 1 июля 1936 г. выделили из состава ЦАГИ как самостоятельный авиазавод № 156 Главного управления авиапромышленности. Реорганизация одновременно коснулась и личного состава предприятия. В.М. Петлякова назначили первым заместителем директора завода и начальником конструкторского отдела, его заместителем и ведущим по машине «42» стал И.Ф. Незваль. Что касается А.Н. Туполева, то еще 5 января 1936 г. его назначили первым заместителем начальника ГУАП (Главное управление авиационной промышленности), что предполагало исполнение обязанностей главного инженера всего советского авиапрома.
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.