Прототип АНТ-40-2 имел ряд отличий в деталях or первого прототипа АНТ-40-1. Размах крыла увеличен с 19 м до 20,3 м. Увеличение размаха крыла вместе с увеличением хорды привело к росту площади крыла 46.3 м² до 52 м². Длина фюзеляжа увеличена с 12,3 м до 12,7 м. Емкость внутренних топливных баков – с 940 л до 1670 л. Топливо размещалось в четырех баках. Мотогондолы двигателей жидкостного охлаждения с установленными в них радиаторами стали длиннее. На АНТ-40-1 стояли трехлопастные воздушные винты Гамильтон, на АНТ-40-2 поставили двухлопастные винты В-100 советского производства.
Для улучшения путевой устойчивости была увеличена хорда вертикального оперения. Круглые иллюминаторы в ботах фюзеляжа первою прототипа заменили на втором прототипе иллюминаторами овальной формы, это было сделано для улучшения обзора назад воздушному стрелку. Прототип АНТ-40-1 не имел вооружения, на втором прототипе в носу фюзеляжа поставили два пулемета ШКАС. Из пулеметов вел огонь штурман-бомбардир, для чего получил прицел ПМП-3. Хвостовая опора шасси и колесо хвостовой опоры были уменьшены в размерах.
Летчик-испытатель И.С. Журов выполнил первый полет на АНТ-40-2 30 декабря 1934 г. Заводские испытания продолжались до 21 января 1935 г. В ходе испытаний самолет показал максимальную скорость 368 км/ч на уровне моря и 430 км/ч на высоте 5000 м. Высоту 5000 м второй прототип набирал за 6,75 минуты. Летные характеристики АНТ-40-2 значительно превышали характеристики. оговоренные ВВС в тактико-технических требованиях.
Государственные испытания самолета АНТ-40-2 начались на аэродроме Кратово 8 февраля 1935 г, но в полете 3 марта 1935 г. произошел флаттер элерона. Несколько дней ушло на установление причины аварии и монтаж весовых компенсаторов. Испытания возобновились 9 апреля и продолжались до 17 июля 1935 г. Носовые пулеметы сняли, отверстия под них были зашиты металлом. После завершения испытаний АНТ-40-2 вернули на завод ЦАГИ для устранения выявленных дефектов. Повторно Государственные испытания второй прототип проходил с октября 1935 г. по апрель 1936 г. Вместо колес для полетов с заснеженного аэродрома шасси были снабжены лажами. После успешного прохождения Государственных испытаний АНТ-40-2 перелетел на аэродром Государственною авиационного завода № 22 в Филях.
Туполев СБ-2-М-100