Одной из первых крупных операций для ТБ-7 стал назначенный на 10 августа рейд на Берлин, к которому были привлечены экипажи 81-й бомбардировочной авиадивизии под командованием знаменитого летчика М. Водопьянова, получившего Золотую Звезду Героя Советского Союза за № 6 за участие в спасении экипажа ледокола «Челюскин», затертого льдами в 1934 году.
Из изначально отобранных для участия в операции 12 ТБ-7 к вылету с аэродрома Пушкино под Ленинградом готовились 10 самолетов (также в операции участвовали бомбардировщики Ер-2). Однако неприятности начались уже при взлете. Сразу несколько машин не смогли подняться в воздух, один из ТБ-7 потерпел катастрофу из-за отказа сразу двух дизелей. Отправиться в полет смогли только семь ТБ-7 из которых на свой аэродром вернулся лишь один, еще два самолета совершили вынужденную посадку на своей территории. Значительная часть бомбардировщиков при этом не смогла вернуться на аэродром из-за отказов двигателей.
По итогам рейда комбриг Водопьянов был отстранен от командования дивизией (правда, с учетом личных заслуг без прочих «организационных выводов» и с правом продолжать боевые вылеты в качестве командира экипажа). Справедливости ради, впрочем, причиной неудачи стала не только неудовлетворительная подготовка рейда командованием дивизии, которому отпустили крайне сжатые сроки – всего два дня, но и низкая надежность дизельных моторов.
Именно отказ от установки дизелей стал другим выводом, сделанным на основании неудачной операции, – на строящиеся серийные самолеты теперь устанавливались только двигатели АМ-35А, этими же моторами были заменены дизели и на части ранее выпущенных бомбардировщиков.
В 1942 году в связи с необходимостью увеличения выпуска Пе-2 строительство ТБ-7 было снова официально прервано, однако оборудование для их производства сохранили и фактически бомбардировщики продолжали строить.
К концу марта 1942 года в составе дальней авиации РККА имелось всего 11 ТБ-7 (с февраля 1942 года получивших наименование Пе-8), из них 8 исправных. В этой ситуации снова был проявлен интерес к выпуску тяжелого дальнего бомбардировщика. Но снова с заменой двигателя – в связи с необходимостью обеспечения штурмовиков Ил-2 моторами АМ-38 двигатель АМ-35 был снят с производства. В качестве альтернативы был предложен М-82.
Испытания самолета с новым мотором были признаны успешными, более того, было отмечено, что установка М-82:
«– улучшает взлетные характеристики, снижая длину разбега на 20 %;
– увеличивает дальность по боевому профилю до 4400 км при 3000 кг бомб;