Летающая лодка МДР-4 стала первой и единственной туполевской машиной такого класса, принятой на вооружение. Все остальные лодочные гидросамолеты, созданные этим коллективом, остались лишь опытными образцами. Строго говоря, лодка эта не совсем туполевская. Ее «родословная» происходит от самолета МДР-3, спроектированного в морской бригаде ЦКБ на заводе №39 им. Менжинского под руководством И.В.Четверикова.
Работы над новым дальним разведчиком велись там с весны 1930 г. Машина имела «фирменное» обозначение «самолет 11» и военное МДР-3. В ее чертах просматривалось много общего с немецкими лодками Рорбаха и с туполевским АНТ-8 (МДР-2), но и отличий было немало. Толстое крыло лежало сверху на лодке, но являлось не свободнонесущим, а подкосным. Между двумя килями хвостового оперения находился «стабилирон» (эту идею, как и крыло, заимствовали у бомбардировщика ТБ-5). МДР-3 оснащался четырьмя немецкими моторами BMW VI, размещенными тандемно в двух установках, каждая из которых располагалась над центропланом на невысоких фермах. Для обшивки крыла в основном использовалось полотно, и лишь центроплан сверху покрывался гофрированным дюралем. У концов центроплана крепились два поплавка, обеспечивавших поперечную остойчивость гидросамолета. Лодка выполнялась цельнометаллической. Ее поперечные обводы соответствовали МДР-2, т.е. она была сильно ки-леватой. Конструкция являлась достаточно традиционной – силовой набор состоял из кильбалки, кильсонов, стрингеров и шпангоутов. К бортам должен был приклепываться фальшборт, предохранявший от повреждений при ударах о причал. Лодка делилась на шесть водонепроницаемых отсеков. В экипаж МДР-3 входили 7 человек. Вооружение состояло из четырех установок со спаренными 7,62-мм пулеметами ДА и двух 250-кг бомб на наружной подвеске.
В январе 1931 г. модель МДР-3 испытывали в только что построенном гидроканале ЦАГИ. Результаты «протасок» обнадеживали. Обводы лодки подобрали удачно. Весной того же года началось изготовление первых узлов опытного образца самолета, а в декабре его постройку уже закончили. 15 января 1932 г. летчик-испытатель Б.Л.Бухгольц совершил на нем первый полет. На борту находился и Четвериков. На заводских испытаниях МДР-3 неплохо вел себя на воде, оказался устойчивым в полете, посадка выполнялась без проблем. Но военных не могли удовлетворить малая скорость, низкая скороподъемность и небольшой практический потолок. Выявились и просчеты конструктивного порядка. В частности, воздушный поток от тандемных винтов вызывал тряску хвостового оперения. МДР-3 забраковали, хотя он уже закладывался в планы серийного производства -хотели строить до 200 штук в год. Но поскольку машина имела целый ряд положительных качеств, таких как большие дальность и продолжительность полета, конструкцию решили дорабатывать. Но работу эту поручили не Четверикову, а самому сильному тогда конструкторскому коллективу страны КОСОС ЦАГИ во главе с А.Н.Туполевым. Там переделкой МДР-3 занялась бригада №2, руководимая И.И.Погосским.
В КОСОС имелись свои наработки по большой летающей лодке. В мае 1929 г. Инспекция Гражданского воздушного флота предложила ЦАГИ свои требования к пассажирскому гидросамолету с тремя двигателями по 300 л.с. (подразумевались французский Гном-Рон «Титан» или американский Райт J6). С предварительным проектом заказчик смог ознакомиться уже в июле того же года. Это был свободнонесущий моноплан с тремя моторами, стоявшими на пилонах над центропланом. Два двигателя имели тянущие винты и один – толкающий. Но в целом требования ГВФ туполевцы сочли нереальными. Даже с учетом увеличения суммарной мощности мотоустановки до 1200-1250 л.с, уменьшения полезной нагрузки с 1600 до 1200 кг и запаса горючего с 1614 до 1100 кг скорость у воды получалась не более 205-206 км/ч вместо требуемых 220 км/ч. Работы по этому проекту заглохли.
В 1931-32 гг. разрабатывался военный вариант этой же конструкции с гораздо более мощными двигателями М-34 и всеми тянущими винтами. Это был морской разведчик-бомбардировщик, вооруженный пятью пулеметами, 20-мм пушкой и способный нести до 2000 кг бомб. Но дело опять ограничилось проектом. И вот в феврале 1933 г. КОСОС приступил к проектированию модернизированного варианта МДР-3, получившего в ЦАГИ обозначение АНТ-27. Поскольку предусматривалось внесение очень больших изменений, то Управление ВВС (УВВС), в ведении которого тогда находилась морская авиация, тоже изменило обозначение машины на МДР-4.