Продувка модели трехмоторного варианта дала невысокие летные данные. Хотя в марте 1929 года проект был утвержден Научно-техническим комитетом Управления ВВС, Калинину пришлось его переделать. Параллельно с совершенствованием пассажирского варианта начали проектировать сверхтяжелый бомбардировщик, с бомбовой нагрузкой 10 т. Оборону составляли 4 20-мм пушки «Эрликон» и 8 7,62-мм пулеметов ДА. Новый проект был направлен НТК УВВС в 1930 году, в обсуждении принимали участие Председатель Реввоенсовета СССР Ворошилов, Нарком тяжелой промышленности Орджоникидзе, начальник вооружений РККА Тухачевский. Проект был одобрен.
На этом пути конструкторов ожидали многочисленные трудности. Четыре мотора было мало даже после установки новейших отечественных М-34, в то время одних из самых мощных моторов в мире — 830 л.с. на взлете и 750 на высоте 2000 м. Пришлось добавить еще два мотора, затем еще один, седьмой, поставили в хвостовой части фюзеляжной гондолы.
Дерево не обеспечивало прочности каркаса, и перешли на стальные трубы, но и те, что уже поставлялись металлургами, были слабоваты. Шло освоение новых материалов — сталей, легированных молибденом (40ХМА, очень твердая и жесткая) или хромом, марганцем и кремнием (30ХГСА или хромансиль, сталь менее прочная, но более пластичная). Соединялись трубы сваркой, причем в то время еще не существовало не только «узаконенных» технологий, но даже норм прочности для расчета сварных ферм из новых сталей. Качество сварки проверялось «по звону»: если шов был однородный, не имел раковин и вкраплений шлаков, то и звук из-под молотка контролера получался ясный и чистый.
Взлетный вес К-7 превысил 30 т, и усилия на штурвале и педалях управления были на пределе физических возможностей человека. Электрические усилители разработать не удалось и пришлось применить механические серворули, для их отработки был переоборудован одномоторный пассажирский самолет К-5.
Самолету К-7 требовался очень большой аэродром и, борясь с этим, Калинин применил оригинальное шасси, которое придавало самолету на разбеге горизонтальное положение с минимальным аэродинамическим сопротивлением. Оно состояло из двух тележек, переднее одиночное колесо на каждой тележке было ориентирующимся, а заднее двойное имело тормоза. В проект шасси заложили новинку — масляно-воздушные амортизаторы.
В ноябре 1932 года председатель Совнаркома (правительства) Украинской ССР Петровский лично сварил первый стык на сборке каркаса К-7. И хотя это место потом переделывали сварщики-профессионалы, этот символический жест означал, что государство придает К-7 первостепенное значение в тяжелейшее для страны время, когда страшный голод совпал с резким скачком напряженности в отношениях с Западом и нарастанием классовой борьбы внутри страны, вызванной поголовным раскулачиванием и коллективизацией крестьянства.
В конце 1932 года 18 сотрудников КБ Калинина написали в высшие инстанции письмо, утверждая, что по данным статических испытаний прочность и жесткость основных узлов самолета недостаточна. Они писали, что нужно отказаться от сварки и перейти на соединение труб болтами, как на зарубежных самолетах и у Туполева. Приехавшая в Харьков комиссия ВВС и начальник Главного управления авиапрома Баранов поддержали Калинина, подписантам предложили другую работу, однако конфликт на ХАЗОС ни этим, ни приказами высочайшего уровня (ЦК ВКП(б)) погасить не удалось. Тем временем самолет был достроен в пассажирском варианте (правда, с отдельными элементами вооружения, такими как турели и включенные в силовой набор балки бомбодержателей). 19 августа 1933 года летчик Снегирев вывел К-7 на первый полет.
По мере разгона началась тряска серворулей, а когда гигант оторвался от земли, она захватила уже все оперение, концы балок, на котором оно держалось, колебались с амплитудой до метра.
Снегирев «притер» самолет прямо перед собой, избежав явной аварии. После доработки 21 августа К-7 выполнил первый полет по кругу, снова едва не закончившийся аварией — полностью отказало управление рулем высоты. Осмотр самолета показал, что оборвался трос серворуля, причем лишь две из пятнадцати его прядей имели следы обрыва, а остальные были аккуратно перекушены. Следователи ОГПУ виновных не нашли и к самолету просто выставили круглосуточную вооруженную охрану.
Самолет месяц дорабатывали, и все вопросы по управлению были «закрыты». Жесткость хвостового оперения увеличили за счет дополнительной управляемой плоскости, стабилитрона, ввели дублирование всех каналов управления. Но в последующих полетах снова произошло ЧП — при заходе на посадку не встал в посадочное положение переставной стабилизатор и пришлось садиться с большой вертикальной скоростью. В шарнирном узле стабилизатора нашли болт, который не мог попасть туда случайно. И снова виновного не выявили.