В апреле 1939 г. на первый опытный АНТ-42 установили в качестве АЦН более мощный двигатель М-103. С ним надеялись получить и более высокие летные характеристики. После нескольких полетов машину подготовили к пролету над Красной площадью во время традиционного празднования 1 Мая, надеясь произвести эффект на руководителей государства, прежде всего, на Сталина. В праздничный день самолет с экипажем из 9 человек, пилотируемый летчиками НИИ ВВС Нюхтиковым и Кабановым, весьма внушительно проревел над трибуной Мавзолея. Но реакция советских лидеров оказалась сдержанной, и этот показ на судьбе бомбардировщика никак не отразился.
Первый опытный экземпляр некоторое время использовали для испытательных полетов. В 1940 г. его переоборудовали по предложению летчика Михаила Водопьянова для полетов в Арктике, однако до начала войны применить в таком качестве не смогли. Во время войны машина базировалась на аэродроме завода № 124 в Казани, где использовалась для обучения летчиков. В один несчастливый день экипаж забыл снять контрящую струбцину с рулей высоты, в результате самолет не смог оторваться от земли и врезался в железнодорожную насыпь…
Проектирование второго опытного АНТ-42 началось в апреле 1936 г. Его разработка и изготовление велись параллельно, с учетом летного опыта первой опытной машины, по сравнению с которой «дублер» получил значительные улучшения по части технологии и технического обслуживания. Заметным переделкам подвергся планер самолета: фюзеляж стал шире на 100 мм, выступавшая вниз кабина штурмана, известная как «борода», расширилась на 200 мм. Значительной перекомпоновке подвергли управление самолетом, приборы и спецоборудование. Хвостовое оперение стало свободнонесущим, в связи с чем изменили всю хвостовую часть фюзеляжа. На первой машине обшивка рулей и элеронов была из гофрированного дюраля, теперь она стала полотняной. Площадь горизонтального и вертикального оперений увеличили, а элеронов – уменьшили. Значительной ревизии подвергли системы охлаждения и топливопитания двигателей. Были установлены восемь дополнительных протектированных бензобаков и новые маслобаки измененной конструкции. Радикальные изменения коснулись оборонительных установок: в носовой и кормовой вместо 20-мм пушек ШВАК разместили спарки пулеметов ШКАС калибром 7,62 мм, а в верхней – наоборот, взамен ШКАСа установили ШВАК на турели ТАТ, нижнюю выдвижную упразднили вовсе, а шассийные оборудовали ШКАСами.
По состоянию на 1 января 1938 г. проектирование «дублера» оценивалось в 95% готовности, постройка – в 58%. В мае 1938 г. практически сразу после окончания Госиспытаний первого опытного экземпляра, изготовление «дублера» завершили. Пробный полет состоялся 26 июня 1938 г., а 11 августа начались совместные заводские и Государственные испытания, которые подтвердили высокие качества бомбардировщика. Затем самолет передали в качестве эталона для постройки первой серии ТБ-7 на авиазавод № 124. Для получения более высоких характеристик при проведении дальнейших испытаний на этой машине предлагалось установить двигатели АМ-35А с турбокомпрессорами, использовать новые воздушные винты изменяемого шага, а пресловутую «бороду» срезать, чтобы улучшить аэродинамику. На практике из всего перечня задуманного осуществленным оказалось совсем немного.
В начале войны «дублер» находился в Казани и некоторое время был не востребован, коротая свой век на окраине аэродрома. Затем на него обратил внимание командир соединения ТБ-7 Михаил Водопьянов. Осмотрев самолет, он приказал привести его в порядок и использовать для тренировок личного состава. На машине произвели необходимый комплекс работ, в т.ч. установили двигатели АМ-35А, а вместо АЦН оборудовали дополнительный топливный бак. В 1942 г. самолет обрел летное состояние. Командование заключило, что «борода» вполне боеспособна, и ее включили в боевой состав Авиации дальнего действия (АДД).
Летали на самолете по очереди несколько сменных экипажей вплоть до окончания боевых действий с фашистской Германией. «Борода» оказалась на удивление долговечной и удачливой машиной – к окончанию боевой службы на ней выполнили наибольшее количество боевых заданий – известно, что в 1945 г. на борту было нарисовано более ста двадцати маленьких бомбочек, соответствующих боевым вылетам. С этой машины сбросили около 500 т авиабомб, почти миллион листовок, забросили в немецкий тыл несколько групп разведчиков. День Победы самолет встретил в боевом строю.