Хотя формирование тяжелобомбардировочных авиабригад началось уже в первые месяцы 1932 года, основной тактической единицей ВВС РККА продолжала оставаться эскадрилья, в которой полагалось иметь 12 ТБ-3 и три Р-5 для тренировки и связи. Стоимость комплектования одной тяжелобомбардировочной эскадрильи составляла примерно 8 миллионов рублей. Поэтому к пилотам тяжелых бомбардировщиков предъявлялись очень высокие требования. Они обязательно должны были налетать значительное количество часов на Р-5 и ТБ-1, причем на последнем — на правом и левом сиденьях. Затем полагалось 18 полетов с инструктором на ТБ-3. Командирам самолетов, кроме этого, предписывались длительные тренировки на правом сиденье ТБ-3 в качестве вторых пилотов. И вдобавок у командира должен быть партийный стаж.
На практике оказалось, что эта сложная система требований сдерживает освоение новых бомбардировщиков. Нужного количества подходящих пилотов просто не оказалось. Да и тех, кого нашли, приходилось долго тренировать. В результате боеспособных самолетов стало существенно больше, чем подготовленного летного состава. Кроме этого, длительное обучение поглощало моторесурс и горючее. Пришлось снизить летные требования и сократить программу тренировок, поскольку к 1 января 1933 года по плану следовало подготовить 200 экипажей.
Тяжелобомбардировочная бригада полного состава имела четыре эскадрильи ТБ-3 (всего 49 машин), эскадрилью «крейсеров» Р-6 (12 самолетов) для дальнего сопровождения и разведки и эскадрилью истребителей И-5 (31 самолет) для прикрытия аэродромов и эскорта близ линии фронта. Таким образом создавалась стройная структура стратегической авиации. Все это делалось впервые в мире. Обычно бригады сначала формировались из двух эскадрилий, а потом разворачивались до полного состава.
На 1 октября 1932 года в составе трех эскадрилий в Монине было десять самолетов ТБ-3, в Ржев не поступило ни одного, шесть машин оказались в Воронеже и еще 13 перегнали по воздуху на Дальний Восток. Надо сказать, что перелет на такое расстояние в те времена выглядел достаточно сложным. Командовал перегоном С. А. Шестаков, тот самый, который слетал в Америку на «Стране Советов». Некоторые ТБ-3 держались в воздухе до 14 часов. К 27 октября ВВС успели принять уже 93 ТБ-3, одна машина была потеряна в авиакатастрофе. На 1 января 1933 года в боевом составе ВВС РККА уже числилось 144 ТБ-3. К концу года четырехмоторных машин в строевых частях было уже больше, чем ТБ-1.
Тогда же, в 1933 году, в СССР были осуществлены опыты по дозаправке самолета в воздухе. Первоначально эта программа была задумана годом ранее и предполагала использование самолетов ТБ-1. Но из-за конструктивных особенностей этот самолет плохо подходил в качестве заправщика, и было решено продолжить опыты в 1933 году с использованием серийного бомбардировщика ТБ-3. В средней части фюзеляжа перед кабиной стрелков была смонтирована приемная горловина с крышкой и трубопроводами к бакам. В качестве самолета-танкера использовался Р-5. Танкер шел в 7–8 метрах выше бомбардировщика, заправочный шланг с «грузовой грушей» ловили сразу два стрелка, а поймав, помещали его в приемную воронку и открывали кран. 20 ноября 1933 года экипаж летчика И. Т. Иващенко впервые успешно заправил свой ТБ-3 в воздухе. В акте по госиспытаниям указывалось: «…приспособление для заливки горючего из самолета Р-5 в самолет ТБ-3 государственные испытания выдержало». Всего было совершено 24 полета с дозаправкой.
Хотя работы проводились в НИИ ВВС, Туполев внимательно следил за испытаниями, отрядив для этого инженера Е. А. Иванова (впоследствии активного помощника П. О. Сухого), и радовался их успешному завершению. С большим вниманием он относился и к сведениям о переучивании летчиков на новую машину, читал «вэвээсовские» отчеты, при случае расспрашивал летчиков и командиров.
Впоследствии ТБ-3 также стал танкером: с него заправлялись в воздухе истребители И-5, И-15, И-16.
Несмотря на успешное завершение испытаний по дозаправке в воздухе командование ВВС не приняло названную систему на вооружение. Этот факт может послужить еще одним аргументом против тезиса об агрессивной направленности РККА. Система авиационных вооружений СССР носила чисто оборонительный характер, о чем свидетельствуют и абсолютное численное превосходство истребителей в ВВС РККА, и отказ от дозаправки, хотя тогда, в начале 1930-х годов, эта система опередила свое время.
К тому времени у основной массы летного состава туполевский бомбовоз вызывал чувство законного уважения. Четырехмоторные гиганты оказались достаточно устойчивы в воздухе и покладисты в пилотировании. В отзывах из частей, осваивавших новую машину, отмечалось: «Конструкция корабля ТБ-3 в основном вполне удовлетворительна, прочна и может выдержать самые неблагоприятные условия эксплуатации при условии увеличения надежности моторной группы», «…качество продукции завода № 22 в основном удовлетворительное, за исключением мелких дефектов… Наличие многих вмятин на обшивке, прорывов гофра, забоин, трещин около заклепок и в других местах, трещины в узлах, недотяжка болтов, отсутствие шплинтовки соединений… Бензиновые баки текут, главным образом по швам…» Краска, которой покрывали самолет, оказалась непригодной для металла — шелушилась, пузырилась и отлетала. В инструкции по эксплуатации печально констатировали: «…окраска, легко сползающая под влиянием дождя, а зачастую и просто в полете, не может выдержать даже бережного обмывания мягкими тряпками».