ДБ-3 появились над Ханькоу на эшелоне 8700 м. На аэродроме не было никакой маскировки, самолеты стояли в четыре ряда крылом к крылу. Отбомбившись «сотками», летчики Кулишенко уничтожили, по японским данным, 50 самолетов и 130 человек личного состава. Еще 300 было ранено. Пожар бензохранилища продолжался более трех часов. Зенитки не доставали ДБ-3, а единственный взлетевший истребитель (в его кабине находился будущий известный ас Сабуро Сакаи) не смог их догнать.
Подготовку к очередным вылетам трудно было скрыть. Во втором налете, 14 сентября 1939 года, ударная группа из 20 ДБ-3 была атакована на большой высоте, едва успев отбомбиться. Возможно, это были высотные истребители A8V-1, или, как называли их наши пилоты, И-98 — 2РА-ВЗ, проданные японцам американской фирмой Северский. В ходе боя самолет Кулишенко был поврежден, а сам пилот ранен. Тем не менее, он довел группу до города Вансянь, где произвел посадку на реку Янцзы метрах в ста пятидесяти от берега. Из последних сил Кулишенко выпустил шасси, но выбраться из кабины уже не смог. Самолет плавно встал на грунт и вскоре был поднят и отремонтирован. В рейдах из Ханькоу, по данным противника, было сожжено не менее 140 самолетов. Наши потери составили 3 машины.
Параллельно с боевыми полетами шла подготовка китайских экипажей. Первыми на задания стали летать штурманы и стрелки, с обучением пилотов дело обстояло сложнее — второй комплект органов управления в кабине штурмана был неполным. Тем не менее, летом 1940 года подготовка китайского персонала была завершена, и советские экипажи вернулись домой, а ДБ-3 продолжали воевать.
Еще в ходе выпуска ДБ-3 2М-85 было признано необходимым дооснастить все самолеты люковыми пулеметами, увеличить их сектор обстрела по горизонту и ввести еще одного стрелка. Нужно было также устранить зависимость углов поворота оружия по скорости полета, а ШКАСы желательно было заменить более эффективными БТ.
В целях повышения боевой устойчивости соединений дальних бомбардировщиков, на базе ДБ-3 был спроектирован самолет сопровождения — без бомб, но с усиленным оборонительным вооружением. Весной 1938 года 2-й серийный ДБ-3 2М-85 выпуска завода № 18 был переоборудован. На нем установили новые турели с пушками ШВАК с боезапасом по 240 снарядов. Люковой шкворень заменили выносным ШКАСом в обтекателе под фюзеляжем, который мог вращаться на 240° по горизонту. Огонь велся с помощью перископического прицела, связанного с электромеханизмом поворота установки. Боекомплект составлял 800 патронов.
Испытания воздушного крейсера ЦКБ-54 проводил В.К.Коккинаки. Летные данные машины оказались недостаточными для эффективной поддержки группы бомбардировщиков — не хватало скорости для свободы маневра. Второй экземпляр ЦКБ-54, переоборудованный из серийного ДБ-3 2М-87 в 1939 году, имел тот же недостаток. Кроме того, резкие движения пулеметом вбок- вниз вызывали опасную раскачку машины. Из-за этого выносной ШКАС заменили двумя пулеметами в боковых окнах (по 210 патронов на каждый). Неустойчивость исчезла, но эффективность вооружения упала. От серийного выпуска «крейсера» было решено отказаться в пользу специализированных истребителей сопровождения.
В июле 1938 года на испытания вышел транспортно-десантный вариант самолета ДБ-3 2М-87. На подфюзеляжных бомбодержателях подвесили кабину Д-20 конструкции Привалова на 10 десантников. Производились опыты по сбросу с ДБ-3 пушек калибра 45 мм и 120-мм минометов. При этом самолеты не требовали значительных доработок и могли использоваться как бомбардировщики. Дело было лишь за выпуском комплектов спецоборудования — кабин, платформ, парашютов с авторасцепками Дорониных АРД-1, предотвращавшими протаскивание грузов после приземления.
Для моряков в 1938 году был создан вариант самолета с закрытым обогреваемым отсеком для торпеды. Он испытывался в июне того же года на Балтике. Закрытый отсек имел свои преимущества, однако же, была невозможна, например, подвеска коротких и толстых мин, да и большие конструктивные изменения повлекли бы за собой сложности в освоении его производства, а значит, неизбежно, — снижение темпа выпуска. Все это стало причиной отказа от этого варианта торпедоносца.