Огромный самолет с трудом осваивался в производстве. Существовавший технологический уровень явно не соответствовал сложности ТБ-3. Отмечалась плохая подгонка частей самолета, небрежная обработка стыков, невзаимозаменяемость узлов на машинах даже одной серии, волнистость поверхности крыла. Особенно много претензий предъявлялось к сборке и нивелировке бомбардировщика. ТБ-3 из-за требования возможности перевозки по железной дороге членился на очень большое количество узлов, даже крыло разделялось не только поперек, но и вдоль. Так вот, все это собиралось с большим трудом. Например, секции полукрыла оказывались лежащими не в одной плоскости. Щели в соединениях зияли такие, что на зиму их заклеивали полотном, чтобы не набивался снег. О том, что происходило внутри самолета, и говорить не приходится. В самой первой «Временной полетно-эксплуатационной инструкции» по ТБ-3, выпущенной У ВВС в 1932 г., перечень наиболее распространенных производственных дефектов занимает шесть страниц, набранных убористым шрифтом.
Тем не менее, из цехов выходили все новые машины. За 1-й квартал 1932 г. через военную приемку прошли 46 ТБ-3, примерно две трети плана. На этих самолетах не хватало прицелов, радиостанций, бомбодержателей, пулеметов. Самолеты сдавали «условно», под гарантийные письма-завода дослать все недостающее при получении прямо в воинские части. Ну а самые неукомплектованные бомбардировщики оседали на заводском аэродроме. Поэтому реально в ВВС поступило значительно меньше машин, чем было собрано.
Выпуск ТБ-3 начали осваивать еще на одном предприятии — заводе № 39 в Москве. 7 декабря 1932 г. поднялась в воздух первая машина, сделанная там. За год это предприятие выпустило пять ТБ-3, а в Филях изготовили 155 самолетов. Это составляло примерно половину планового задания. Существовали еще планы строительства нового завода на Дальнем Востоке, в районе Болонь-Оджен, который должен был выпускать до 200 ТБ-3 в год. Впоследствии для этого предприятия выбрали другую площадку — в нынешнем Комсомольске-на-Амуре, но ТБ-3 там не строили.
Учитывая первый опыт эксплуатации в частях, в серийные машины постепенно внесли ряд изменений. Все самолеты с конца 1932 г. имели гладкий, а не гофрированный носок крыла. Позднее на передней части фюзеляжа появились поручни, облегчающие покидание пилотской кабины с парашютом, стали перекрывать металлическими лентами щели между фюзеляжем и крылом. Со второй половины 1932 г. У ВВС требовало ввести новые поворачивающиеся подкрыльные башни, но они так и не появились. Все ТБ-3 ранних серий оснащались «штанами» — примитивными выпускными подкрыльными башнями Б-2. Свое прозвище они получили из-за того, что для ног стрелка были сделаны выступы, действительно напоминавшие металлические штаны.