Оборонительное вооружение ТБ-ЗРН складывалось из двух экранированных турелей Тур-8 — одной сверху и одной в носовой части. Они закрывались полусферическими куполами из оргстекла на металлическом каркасе. В каждой из них стоял пулемет ШКАС. Третий такой же пулемет размещался в кормовой установке. Там Тур-8 не имела экрана, но при необходимости прикрывалась раздвижным козырьком, секции которого складывались подобно панцирю на хвосте рака. Четвертый ШКАС на турели Тур-7 стрелял в люк в днище фюзеляжа.
Ассортимент бомбового вооружения самолета существенно расширился — от мелких «зажигалок» ЗАБ-1 по килограмму весом и 8-кг осколочных АО-8М2 до двухтонной АФ-2000. Бомбы менее 50 кг укладывались в кассеты РРАБ. ТБ-ЗРН мог нести химическое вооружение — четыре выливных прибора ВАП-500 и два ВАП-6К. Для их подвески на балки бомбодержателей крепились специальные мосты. Обогатилось оборудование машины. В частности, на бомбардировщике появилось переговорное устройство СПУ-7.
На 1936 г. ВВС заказали 185 ТБ-ЗРН. Фактически подготовка к их выпуску велась уже с середины 1935 г. и завод лишь ждал окончательного утверждения эталона. На 1 сентября 60 машин уже состыковали и на 20 из них установили моторы. Но на бомбардировщиках не хватало винтов, колес, бомбодержателей. Самолет считался особо важным для ВВС наряду с СБ, поэтому на стол к Алкснису ежедневно ложились сводки о состоянии производства и приемке готовых машин. На 1 февраля 1936 г. на заводской аэродром вывели уже 82 ТБ-ЗРН, на которых производили различные доделки. 27 февраля три первых машины облетали, а уже 3 марта они отправились в Монино на войсковые испытания.
К 7 июня 1936 г. 18 самолетов отправились в различные строевые части. Приоритет в получении новых бомбардировщиков получили 23-я тбаб в Монино, где велись войсковые испытания, и части ВВС ОКДВА. На Дальний Восток самолеты опять гнали по воздуху. Осуществляла это мероприятие сводная эскадрилья 26-й тбаб, прошедшая переподготовку в Москве. Самолеты, отправлявшиеся на Дальний Восток, комплектовали пеленгаторами АПР-1 или АПР-3.
Несколько последних машин выпуска 1937 г. получили еще более мощные моторы М-34ФРНВ (1050/1200 л.с.). На последних сериях ТБ-3 внедрили дополнительные бензобаки в консолях, несколько улучшили аэродинамику, усовершенствовали систему управления и оборудование, в частности, смонтировали переговорное устройство СПУ-7Р и УКВ-радиостанцию РЭС. Машины с моторами М-34ФРН отличались округленными законцовками стабилизатора, развитыми зализами между крылом и фюзеляжем.
Но время медлительных гофрированных бомбовозов окончательно ушло. Модификация ТБ-3 с М-34ФРН явилась вершиной совершенствования ТБ-3, но к этому времени самолет уже начал устаревать. В мире появились представители нового поколения тяжелых бомбардировщиков — высотных и скоростных. В декабре 1936 г. на испытания вышел АНТ-42 (ТБ-7, позднее Пе-8), в том же году в США создали Боинг 299, будущую «Летающую крепость». На этом фоне гофрированная обшивка, неубирающееся шасси и открытая пилотская кабина выглядели анахронизмом.
С 1937 г. ВВС начали получать дальние бомбардировщики ДБ-3. Годом позже они уже заняли заметное место в парке бомбардировочной авиации, постепенно вытесняя ТБ-3.
Но медлительные гиганты еще долго состояли на вооружении. В 1937 г. их впервые использовали в настоящих боевых действиях. Это произошло во время секретной операции Красной армии в Синьцзяне. Самолеты взяли из Забайкалья, экипажи тоже, но маскировались они под китайские. Их использовали как военно-транспортные и бомбардировщики, но поодиночке или парами, только днем.
Годом позже ТБ-3 приняли участие в массированном налете, после которого Красная армия перещла в наступление у озера Хасан. Это был единственный случай, когда им довелось действовать так, как предполагалось — большой группой, в плотном строю, днем. Для психологического эффекта на занятую противником сопку Заозерную сбросили бомбы ФАБ-1000.
На Хал хин-Голе ТБ-3 бомбили уже только ночью. Им ставили задачу не разрушать, а изматывать противника в темное время суток. В войне с Финляндией зимой 1939— 1940 годов эти машины работали больше как транспортные, нежели как бомбардировщики. Даже в условиях полного господства в небе советской авиации, количественно намного превосходившей финскую, летали неторопливые ТБ-3 в основном ночью.