Уникальная для своего времени машина была создана бригадой В. Петлякова под руководством А. Туполева еще в 1930 году, а в 1932-м был начат её серийный выпуск. Один из самых больших в мире на тот момент самолет был способен поднимать до двух тонн бомбовой нагрузки – правда, вся она размещалась на внешней подвеске. Однако к началу 1940-х годов бомбардировщик с неубирающимся шасси и гофрированной обшивкой, летавший со скоростью до 300 (в позднем варианте ТБ-3РН – до 380) км/ч, не имеющий бронирования и вооруженный всего четырьмя пулеметами калибра 7,62 мм, уже явно устарел, что проявилось уже в ходе Зимней войны против Финляндии. Тем не менее на 22 июня 1941 года в строю все еще оставалось более 500 ТБ-3.
Уже в первые же дни войны с Германией ТБ-3 наносили удары по целям за линией фронта. Однако нехватка фронтовой авиации вынуждала использовать тяжелые бомбардировщики в тактических целях, для чего тяжелая, неповоротливая и слабовооруженная машина была откровенно не приспособлена. Подобные действия, к тому же без истребительного прикрытия, приводили к многочисленным потерям. Но в качестве ночных бомбардировщиков подразделения, оснащенные ТБ-3, к тому же, как правило, укомплектованные летчиками достаточно высокой квалификации, действовали сравнительно успешно вплоть до 1943 года. Кроме выполнений функций собственно бомбардировщика, ТБ-3 широко использовались для перевозок грузов и выброски десанта.
Использовался тяжелый бомбардировщик и более необычными способами. После начала войны были предприняты попытки практической реализации ряда идей, экспериментально отрабатывавшихся еще задолго до войны. Так, в составе 4 бап была создана Особая группа, предназначенная для применения ТБ-3 в качестве «летающих бомб», управляемых самолетом-наводчиком с помощью разрабатывавшейся в 30-х годах под руководством В. Бекаури[6] системы «телемеханического самолета» ТМС. Однако две попытки боевого применения – нанесения ударов по мосту через Волгу в районе Калинина и по железнодорожному узлу Вязьма – окончились неудачей. В первом случае старт самолета не состоялся, а во втором ТБ-3, оставленный экипажем, «отказался» подчиняться радиокомандам.
Более успешным стало применение «звена Вахмистрова», предназначенного для уничтожения малоразмерных наземных целей.
Эксперименты по использованию тяжелого бомбардировщика в качестве воздушного авианосца для двух, трех и даже пяти истребителей проводились в СССР по инициативе инженера Владимира Вахмистрова с использованием самолета ТБ-1 с начала 30-х годов. Получившее практическое применение с началом войны «Звено СПБ» (составной пикирующий бомбардировщик) представляло собой бомбардировщик ТБ-3 и пару подвешенных под его крыльями истребителей И-16, оснащенных двумя бомбами ФАБ-250 каждый. При выходе на цель истребители отцеплялись от бомбардировщика-авиаматки, производили бомбометание с пикирования и уже самостоятельно возвращались на свой аэродром.