Хотя страна жила бедно, на военную технику денег не жалели. Красная армия действительно должна была стать всех сильней «от тайги до британских морей». Мощной армии требовались многочисленные ВВС, оснащенные современной техникой. Их ударной силой должны были стать армады огромных бомбовозов. Одним из этапов на пути выполнения этой мечты стал ТБ-4. Первый вариант технических требований к самолету военные подготовили в марте 1930 г. В апреле того же года бомбардировщик вошел в план опытных работ, утвержденный Советом труда и обороны (СТО). Месяцем позже в ЦАГИ приступили к работе над проектом, названным АНТ-16. Общее руководство осуществлял сам А.Н. Туполев. Новый самолет должен был стать развитием концепции, воплощенной ранее в АНТ-6 (ТБ-3), но с поправкой на совсем другой масштаб. В отчете ЦАГИ за 1929/30 финансовый год было записано: «АНТ^б является переходным этапом к следующему еще более мощному и значительно большему по величине самолету». Вот им и являлся ТБ-4.
12 октября 1930 г. Реввоенсовет СССР утвердил план опытных работ на 1930—1933 годы. В нем задавались следующие параметры нового бомбардировщика: максимальная скорость 200 км/ч, практический потолок 5000 — 6000 м, радиус действия 1000 км, бомбовая нагрузка 7000 кг, вооружение из шести — восьми пулеметов и одной пушки (калибром 20 или 37 мм). Срок готовности опытного образца огромного бомбардировщика определялся к 1 декабря 1931 г. Приоритетность предъявленных требований четко определялась: на первое место ставилась грузоподъемность, на второе — дальность полета, на третье — «огневая независимость» (способность самостоятельно обороняться от истребителей противника), а высота и скорость шли в последнюю очередь.
Первоначально предполагалось, что самолет получит четыре мотора М-35 мощностью по 1500 — 1800 л.с. каждый. Многие путают этот двигатель с появившимся гораздо позже АМ-35 (который тоже первоначально именовался М-35). Этот первый М-35 разрабатывался с 1930 г. в Институте авиационного моторостроения (ИАМ) под руководством А.А. Микулина как дальнейшее развитие удачного М-34. Последовательно спроектировали три варианта мотора: W-образный из трех блоков от М-34, спаренный из двух М-34, работающих на общий редуктор, и 12-цилиндровый V-образный — как бы увеличенный М-34 с большим диаметром цилиндров. Но все три не дошли даже до стадии изготовления опытных образцов. В 1933 г. работы по М-35 окончательно прекратили.
Практика проектирования самолета под еще не существующие моторы, безусловно, являлась порочной. Но для грандиозных советских планов она была нормой — поэтому их постоянно приходилось перелицовывать, подгоняя под фактическую ситуацию. Хотелось получить все побыстрее и с самой лучшей, самой новой комплектацией. Поэтому в задания вписывали двигатели, которые лишь прочерчены на бумаге, приборы, которых еще нет, пушки и пулеметы, которые проходят мучительный процесс доводки.