Испытания показали, что с новыми двигателями бомбардировщик имел лучшую скороподъемность, но максимальная скорость неожиданно снизилась. В сентябре 1933 года на ТБ-3 установили редукторные М-34Р с новыми винтами диаметром 4,4 м. Кроме того, изменили хвостовую часть, где была установлена еще одна огневая точка. После проведения испытаний вариант ТБ-3–4М-34Р был принят к серийной постройке как эталон на 1934 год. Несмотря на возросшую полетную массу, летные характеристики самолета улучшились.
Часть машин специалисты Остехбюро упорно и безуспешно пытались переделать в телемеханические. Только на этот раз, подлетая к цели, пилот «воздушного брандера» не выбрасывался с парашютом, а пересаживался в подвешенный под брюхом ТБ истребитель. Под проекты предприимчивого и пробивного грузина, до революции конструировавшего сейфы и механические игрушки, малограмотные «легендарные полководцы», завороженные перспективами телемеханической войны, в которой врага будут громить красные телетанки, радиоуправляемые аэропланы, бронепоезда, торпедные катера и подводные лодки «волнового управления», дистанционно наводимые торпеды и плавающие мины, самовзводные пулеметы, огнеметы и газометы, выбивали миллионов золотых рублей даже в самые голодные времена. В распоряжение Остехбюро в Москве и Ленинграде были предоставлены лаборатории и конструкторские бюро с мощной производственной и экспериментальной базой, мастерские, заводы, самолеты и ангары, целая флотилия судов, собственная радиостанция и собственный аэродром, база под Севастополем; имелась возможность привлекать к работе любых специалистов. Жаль только, что в войне с немцами почти ничего из гениальных изобретений В.И. Бекаури не пригодилось, а то, что пригодилось, никакого влияния на исход боевых действий не оказало, кроме, пожалуй, средств спецсвязи.
Работы по модернизации ТБ-3 продолжались и в 1935 году: на самолете установили новые двигатели М-34РН (с центробежными нагнетателями) мощностью 840 л.с. В ходе последнего этапа совершенствования бомбардировщик оснастили форсированными двигателями М-34ФРН (950 л.с. на высоте 5000 м), позволившими выжать 288 км/ч, ввели консольные топливные баки, подкрыльевые башни заменили «кинжальной» установкой в люке фюзеляжа, улучшили местную аэродинамику, произвели изменения в органах управления. В таком виде в 1936–1937 годах завершился серийный выпуск. От машины взяли все. Для кардинального улучшения характеристик требовалось переходить на новый тип самолета с гладкой обшивкой и убирающимися в полета шасси.
ТБ-3 у нас называют «первым в мире свободнонесущим монопланом-бомбардировщиком с двигателями, установленными в ряд по размаху в носке крыла». Правда, первым был все тот же Гуго Юнкере. Просто немцам запрещалось строить военные машины и свободнонесущий цельнометаллический моноплан с четырьмя двигателями мощностью по 800 л.с., установленными в ряд в толстом крыле, поднявшийся в воздух в ноябре 1929 года, служил У них пассажирским самолетом. А вот японцы, купив лицензию на «Юнкере» G38, превратили его в полноценный бомбовоз. Он весил 23 000 кг, летал со скоростью 200 км/ч, дальность полета достигала 3400 км, потолок — 3700 м. Вооружение состояло из 11 турельных пулеметов и 3000 кг бомб. Экипаж 10 человек. В течение 1931–1934 годов фирма Мицубиси поставила военно-воздушным силам «милитаристской» Японии шесть тяжелых бомбардировщиков марки Ki-20. В миролюбивой Советской стране ТБ-3 на пике производства делали по штуке в день и до весны 1938 года построили 818 самолетов (каждый стоил четверть миллиона рублей) различных модификаций. Заметим, что это — результат недовыполнения стахановских планов, вообще-то намечалось иметь 1440 «воздушных линкоров».
Крупносерийная постройка самолетов такого класса потребовала совершенно новой организации производства, освоения новых технологических процессов и формирования отряда высококвалифицированных инженеров и рабочих.
Конструкторы научно-технического отдела завода №-67 в 1931–1933 годах разработали линейку фугасных авиабомб (ФАБ) калибра 50, 100, 250, 500, 1000 и 2000 кг. Началось производство осколочной ОАБ-20 и бронебойной БРАБ-220, переделанных из артиллерийских снарядов.
С принятием ТБ-3 на вооружение советских ВВС началось формирование дальней бомбардировочной авиации.
Самолет принимал участие во многих боевых делах, но самой эффектной страницей в биографии ТБ-3 был налет группы бомбовозов с аэродрома Ханькоу на остров Кюсю, состоявшийся 20 мая 1938 года. Шестерка ТБ-3 с китайскими опознавательными знаками, форсировав Восточно-Китайское море, гордо проплыла ранним утром над портами и военно-морскими базами Сасебо, Нагасаки, Фукуока и, сбросив на головы остолбеневших японцев миллион листовок, «клеймящих позором милитаристов, развязавших войну в Китае», гордо удалилась. Согласно официальной версии, эскадрильей командовал герой китайского народа подполковник Сюй Хуаншэнь, в миру старший советник по авиации, чистокровный хохол, комдив Г. И. Тхор. Пощечина, отвешенная Токио, прозвучала на весь мир. По окончании операции военный министр гоминьдановского правительства объявил, что самолеты китайских ВВС ни в чем не уступают японским и в состоянии разбомбить любые цели на любом из островов Японского архипелага.