После ремонта машины с 11 августа по 28 октября 1937 года состоялись совместные с НИИ ВВС государственные испытания. В состав экипажа входили П.М. Стефановский, второй пилот В.Е. Дацко и штурман А.М. Брянденский. Ведущим инженером назначили И.В. Маркова. В испытаниях также участвовали летчики М.А. Нюхтиков и Антохин, штурманы Черкасов, Никитин, Цветков и Соколов. Облетали самолет А.Б. Юмашев и Бабкин. Здесь и проявились его преимущества перед созданной ранее техникой. Первые же полеты показали, что самолет не только соответствует требованиям заказчика, но и несколько превосходит их.
Так, максимальная скорость с АЦН-2 достигала 403 км/ч на высоте 7900 метров, а без АЦН – 360 км/ч на высоте 3100 метров. В заключении отчета по их результатам отмечалось, что «большие максимальные скорости <…> ТБ-7 на высотах, близких к потолку современных истребителей, делают его малоуязвимым на высотах 7000–10 000 метров». Тогда же рекомендовалось, не дожидаясь окончания полных государственных испытаний, начать постройку опытной серии из пяти машин, но с заменой агрегата АЦН турбокомпрессорами, доработкой вооружения и устранением выявленных дефектов. Однако с турбокомпрессорами тогда ничего не вышло, и серийные ТБ-7, лишенные пятого мотора, значительно утратили свои первоначальные данные.
Осенью 1937 года вслед за Туполевым был арестован и В.М. Петляков. Все это свидетельствовало об охлаждении интереса руководства страны, и прежде всего Сталина, к новой машине. Похоже, что вождь вычеркнул тяжелый бомбардировщик из своих планов, сделав ставку на дальний бомбардировщик ДБ-3. Естественно, доводка машины затянулась. Тогда же был поставлен крест и на варианте ТБ-7 с гермокабинами, подобными тем, что предлагал В.Ф. Болховитинов в своем проекте «БДД» еще в 1935 году.
В январе 1938 года ТБ-7 снова поступил в НИИ ВВС, на этот раз на лыжном шасси. К этому времени на самолете уменьшили площадь вертикального