Экипаж включал в себя 7 человек, в состав оборонительного вооружения входили две 20-мм пушки и два пулемета ШКАС.
В 1940 году экипажем летчика И. Сухомлина на МТБ-2 был установлен ряд официальных рекордов, в том числе международные высоты – 7134 м с грузом 1000 кг; 6284 м с грузом 2000 кг; 5219 м с грузом 5000 кг и национальные рекорды скорости на дистанции 1000 км – 277,4 км/ч с грузом 1000 кг и 241,9 км/ч с грузом 2000 кг.
Однако МТБ-2 постигла участь большинства других тяжелых самолетов, созданных в СССР в 30-х годах. К серийному выпуску большого и дорогостоящего в производстве гидросамолета советская авиапромышленность оказалась не готова. В январе 1940 года решением Комитета Обороны при Совнаркоме СССР все работы по МТБ-2, включая подготовку серийного выпуска, были прекращены. Две опытные машины оказались единственными построенными, а МТБ-2 стал в принципе последним гидросамолетом, созданным в КБ А.Н. Туполева.
Правда, в отличие от многих других, эта машина все же приняла участие в боевых действиях. В период с 1941-го по лето 1942 года МТБ-2 совершил ряд боевых вылетов, в том числе осуществив успешные бомбардировки Плоешти и Бухареста. Летающая лодка была потеряна, по одним данным, в августе 1942 года, по другим – летом 1943 года.
21 октября 1937 года А.Н. Туполев был арестован по обвинению во вредительстве и принадлежности к контрреволюционной организации. Одновременно был арестован ряд ведущих специалистов ЦАГИ и ОКБ, директоров авиационных заводов.
Некоторые авторы, пытающиеся с усердием, достойным лучшего применения, оправдать репрессии сталинского периода, арест Туполева обосновывают якобы допущенными финансовыми злоупотреблениями – в том числе нецелевым использованием средств во время визита в США в 1936 году и нецелесообразностью осуществленных закупок лицензий на выпуск самолетов, в частности самолета Vultee V-11 (впоследствии ограниченно выпускавшегося в СССР под наименованием БШ-1, а также эксплуатировавшегося в варианте вспомогательного под названием ПС-43). Но даже при всей надуманности подобных обвинений – в уголовном деле Туполева фигурируют совсем иные детали, в том числе: создание контрреволюционной организации, вредительская деятельность с целью подрыва обороноспособности СССР, умышленный срыв рекордных перелетов, передача секретных данных о разработках советских военных самолетов.
28 мая 1940 года А. Туполев был приговорён Военной коллегией Верховного Суда СССР по ст. 58–6, 7, 9 и 11 (контрреволюционная деятельность, шпионаж, подрыв государственной промышленности) УК РСФСР к 15 годам лишения свободы и 5 годам поражения в правах, а также конфискации личного имущества.