Последней экспедицией, выполненной на нем под обозначением АНТ-6, стало изучение районов, прилегающих к полюсу Недоступности в Северном Ледовитом океане в 1941 г. Расчеты показали, что для осуществления всей программы исследований его взлетный вес должен был быть не менее 27 740 кг, что более чем на три тонны превышало разрешенный. Экспедиция блестяще завершилась, с карты стерли еще одно белое пятно, а ТБ-3 показал, что в нем имелись большие резервы грузоподъемности, постепенно выявленные в процессе эксплуатации.
В 1932 году Япония оккупировала Маньчжурию, и ее войска расположились вдоль границы с Советским Союзом с явно недружественными целями, а флот Страны восходящего солнца господствовал в дальневосточных морях. В этой ситуации советское правительство направило на Дальний Восток соединение из 150 ТБ-3, радиус действия которых позволял достичь любой точки Японии. Это сразу отрезвило самураев и отодвинуло вооруженный конфликт.
Однако летом 1938 года японские войска вторглись в пределы СССР в районе озера Хасан. Стрелковые части с воздуха поддерживали 250 самолетов, включая 60 ТБ-3. Это был первый случай боевого применения тяжелого бомбардировщика. Но урок, полученный самураями, не пошел им впрок.
Весной следующего года они развязали вооруженный конфликт на реке Халхин-Гол. И снова ТБ-3 включились в боевую работу, совершив 166 самолето-вылетов. Кроме нанесения бомбовых ударов, ТБ-3 (преимущественно ночью) доставляли в районы боев боеприпасы, продовольствие и вывозили больных и раненых.
К тому времени в нашей стране имелось три авиационных армии особого назначения (АОН), основу которых составляли тяжелые бомбардировщики, предназначавшиеся как для самостоятельного решения стратегических задач – нанесения бомбовых ударов, так и для обеспечения воздушно-десантных войск (ВДВ).
Впервые возможности ВДВ продемонстрировали в 1934 году на маневрах Белорусского военного округа, а спустя год на учениях под Минском небо «украсили» 1800 парашютов. Еще больше удивил наблюдателей, в том числе и зарубежных, посадочный десант в составе 5700 человек с тяжелым вооружением, автотранспортом с пушками, легкими танками и бронемашинами.
Погрузка десантников в ТБ-3 с двигателями М-17
Десантники в количестве тридцати человек размещались в центроплане и на досках, проложенных над створками бомболюков. Люди сидели в темноте и тесноте, в многочисленные щели сильно задувало. Прыгали из турельных вырезов в фюзеляже, с обеих плоскостей крыла. Трудно было десантникам, но других самолетов, способных решать подобные задачи, не было.
В активе ТБ-3 было участие в войне с Финляндией, в Польской кампании и освободительных походах Красной Армии в Прибалтику и Бессарабию.
К началу Великой Отечественной войны ТБ-3 был уже сильно устаревшим тяжелым бомбардировщиком, но, несмотря на это, составлял 13% численного состава Дальней авиации. В годы войны ТБ-3 привлекались также для транспортировки грузов. Так, 7-й