В соответствии с техническим заданием ВВС, самолет СБ должен был оборудоваться двумя моторами с радиальным расположением цилиндров. Для опытного образца самолета конструкторы остановили выбор на девятицилиндровых моторах воздушного охлаждения «Циклон Ф-5» фирмы «Райт» мощностью 730 л.с., рассчитывая на серийном самолете устанавливать 900-сильный радиальный мотор М-87 конструкции Назарова. Что касается собственной задумки Туполева, для нее он избрал рядный мотор 12Ybr «Испано-Сюиза». Архангельский много работает над снижением лобового сопротивления и веса машины. Все новые конструкторские решения воплощаются в моделях и проходят продувку в аэродинамических трубах ЦАГИ. Для сборки фюзеляжа и крыльев разрабатывается технология клепки впотай, создаются новые металлические сплавы – супердюралюминий и высокопрочные марки стали.
Элероны крыльев самолета оснастили весовыми и осевыми балансирами, в каждом элероне имелся встроенный триммер. С учетом малого лобового сопротивления для снижения скорости при заходе на посадку в конструкции предусматривались посадочные щитки. Ш$еби убиралось назад внутрь гондолы двигателя, а хвостовое колесо хотя и не было закрыто, но переводилось в «полуубранное» положение. Поднималось и убиралось шасси при помощи электрогидравлического привода, дублированного механической системой. Экипаж самолета состоял из трех человек: пилота, штурмана, который одновременно выполнял функции оператора бомбометания и бортстрелка, а также стрелка-радиста. Бортовое вооружение включало пять выдвижных пулеметов: два – на турели в носовой части, два – ближе к хвосту самолета. Пятый помещался у открывающегося люка внизу фюзеляжа. Запас топлива опытного образца самолета составлял 940 л и находился в крыльевых баках. Крылья АНТ-40 имели размах 19 м.
В марте 1934 года проект Архангельского утверждают, и завод опытных конструкций ЦАГИ немедленно начинает постройку самолета. Первый полет состоялся 7 октября 1934 года. Пилотировал машину летчик Константин Попов. Результаты летных испытаний оказались не слишком обнадеживающими, поэтому когда 31 октября при посадке машина получила серьезные повреждения, конструкторы использовали отведенное на восстановление время для внесения изменений в конструкцию крыла. В феврале 1935 года обновленный самолет был готов, а между тем в воздухе уже побывала вторая машина – АНТ-40-1.
Оборудованный рядными моторами 12Ybr фирмы «Испано-Сюиза» самолет АНТ-40-1 впервые поднял в воздух летчик К.Журов. Произошло это 30 декабря 1934 года. Вплоть до июля 1935 года оба самолета проходили широкую программу испытаний. Опыт, приобретенный в ходе испытаний, был использован при строительстве следующего самолета АНТ-40-2, о котором Туполев и Архангельский говорили двумя годами раньше. Конструкции СБ и СБ-1 (второго самолета) оказались не слишком удачными, но командование ВВС, озабоченное потребностью в самолетах этого класса, издает директиву об организации серийного производства. Начинается подготовительная работа.
Государственные испытания второго самолета – СБ-1 – показали наличие турбулентности в зоне крыла, особенно на крутых виражах. Но на АНТ-40-2, которому вскоре было присвоено наименование СБ- 2, эту и ряд других подобных проблем удалось снять. Сразу после начала государственных испытаний в сентябре 1935 года стало очевидно: внесенные изменения не прошли даром. Максимальная скорость самолета возросла с 325 до 404 км/час, рабочий потолок поднялся с 6 800 до 9 400 м. В результате увеличения объема топливных баков у СБ-2 дальность полета возросла с 700 до 1 250 км. К этому времени Советский Союз приобрел права на производство двигателя 12Ybr «Испано-Сюиза». Теперь он назывался М-100 конструкции Климова. Первые серийные СБ-2 оснащались 750-сильными моторами М-100, с которыми максимальная скорость полета составляла только 395 км/час, но в течение полугода Климов довел двигатель до уровня французского прототипа, и новый вариант развивал мощность 860 л.с. За счет повышения мощности бомбовую нагрузку самолета довели до 600 кг, а максимальная скорость полета достигла 423 км/час.