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.

Есть странность в том, что подробности этого рейда до сих пор неизвестны. Может, это были не китайские самолеты, может, не ТБ-3, а возможно, и взлетали они не с китайского аэродрома…

В то время считалось, что для бомбардировщика скорость не столь важна, главное — чтобы бомб брал побольше. Поэтому военные товарищи требовали от конструкторов разработки бомбовозов с грузоподъемностью в 25 тонн и размахом крыльев порядка 100 м.