Пилотов для многомоторных самолетов начали готовить специально. В 3-й школе военных летчиков обучение теперь завершалось полетами на ТБ-1.
В частях самолеты постепенно доукомплектовали недостающим оборудованием. В ходе серийного производства усовершенствовали водяные радиаторы (ранние машины летом страдали от перегрева моторов), заменили импортные покрышки «Палмер» на большие по размеру отечественные. В 1932 г. производство ТБ-1 прекратили, на смену им пришли четырехмоторные ТБ-3.
Но двухмоторные бомбардировщики еще около двух лет сохраняли свое лидирующее положение. При этом машины подвергались модернизации. Для увеличения бомбовой нагрузки с февраля 1932 г. на части самолетов смонтировали дополнительные наружные бомбодержатели Дер-9, а затем мосты Дер-13-6. Последние получили более трети машин. Пулеметы «Льюис» обр. 1924 г., которые монтировались на всех ранних сериях, постепенно заменили отечественными ДА-2. Радиус действия ТБ-1 был сравнительно невелик, и для него разработали съемный бензобак, размешавшийся в бомбоотсеке. Затем запас горючего пополнили установкой дополнительных баков в крыле. Работали над химическим и реактивным (безоткатными пушками) вооружением бомбардировщика, но это так и осталось в рамках экспериментов. Не был завершен и комплекс ТМС-36 — два беспилотных ТБ-1, управлявшихся по радио операторами с самолета наведения. Такие летающие бомбы должны были поражать крупные и важные объекты, хорошо прикрытые средствами ПВО.
ТБ-1 стал первым самолетом, использованным в программе «Звено»; по проекту В.С. Вахмистрова он стал «летающим авианосцем». На его крыльях размещались два истребителя И-4, которые могли отделиться от носителя в воздухе.
Уже с 1932 г. бригады перевооружались на ТБ-3. К весне 1933 г. в ВВС остались всего четыре эскадрильи, оснащенные старой техникой. На первомайском параде ТБ-3 уже было вдвое больше, чем ТБ-1. Постепенно двухмоторные бомбардировщики оказались вытеснены на роль учебно-тренировочных и транспортных машин. Последние из них эксплуатировались как боевые до 1936 г. В Средней Азии одна эскадрилья летала на них до июня 1939 г., после чего перешла на СБ.
ТБ-1 в качестве бомбардировщиков ни разу не участвовали ни в одной войне. Но они позволили подготовить многочисленные кадры летного и наземного состава, отработать тактику боевого применения, технологию обслуживания самолетов. Именно на этих машинах прошли подготовку летчики, возглавившие затем огромные соединения тяжелых бомбардировщиков, ставших главной ударной силой ВВС РККА в середине 30-х годов.