Новая серия испытаний самолета после некоторых доработок проходила с 6 марта по 30 апреля 1938 года. 26 июля 1938 года совершил первый полет и второй опытный образец-«дублер».
Самолет был рекомендован к серийному выпуску на заводе № 124 в Казани. Однако обнаружилось, что не решен вопрос с серийным выпуском ключевого элемента силовой установки – агрегата АЦН-2. Одновременно с этим при принятии самолета на вооружение было принято решение об изменении состава оборонительного вооружения, которое теперь составляли 7,62-мм пулеметы ШКАС.
Лишившись главного достоинства – способности действовать на больших высотах при высокой скорости полета, в сочетании с ослаблением вооружения, из выдающейся для своего времени боевой машины, согласно замыслу, ТБ-7 фактически превращался в достаточно рядовой бомбардировщик.
В начале 1940 года производство ТБ-7 было прекращено, построить успели всего шесть самолетов, в том числе только четыре с агрегатами АЦН-2. На двух машинах были установлены новые двигатели АМ-35, но без АЦН.
Однако командование ВВС настаивало на нужности тяжелого бомбардировщика, и в том же 1940 году было принято постановление о возобновлении серийной постройки ТБ-7, но с новыми двигателями: авиационными дизелями типа М-30 и М-40, созданными А.Д. Чаромским[38]
и привлекавшими руководство своей высокой экономичностью.С 16 января по 20 февраля 1941 года ТБ-7 4М-40 проходил государственные испытания в НИИ ВВС, продемонстрировав скорость у земли 345 км/ч, на высоте 5680 м 393 км/ч, потолок 9200 м при времени набора этой высоты 49 мин. По итогу испытаний был сделан вывод, что летные данные самолета соответствуют требованиям, однако винтомоторная группа требует доработки.
Другим новым «сердцем» ТБ-7 стали усовершенствованные двигатели Микулина АМ-35 и АМ-35А взлетной мощностью 1350 л.с. Данные бомбардировщика с этим мотором по итогам испытаний, завершившихся уже в первые дни войны, были равны: скорость у земли 347 км/ч, на высоте 6366 м 443 км/ч, потолок 9300 метров и время его набора 43,5 мин.
В июне 1941 года в строю ВВС РККА числилось девять ТБ-7, из них пять боеготовых. Еще некоторое число выпушенных самолетов не было принято ВВС.
Одной из первых крупных операций для ТБ-7 стал назначенный на 10 августа рейд на Берлин, к которому были привлечены экипажи 81-й бомбардировочной авиадивизии под командованием знаменитого летчика М. Водопьянова, получившего Золотую Звезду Героя Советского Союза за № 6 за участие в спасении экипажа ледокола «Челюскин», затертого льдами в 1934 году.
Из изначально отобранных для участия в операции 12 ТБ-7 к вылету с аэродрома Пушкино под Ленинградом готовились 10 самолетов (также в операции участвовали бомбардировщики Ер-2). Однако неприятности начались уже при взлете. Сразу несколько машин не смогли подняться в воздух, один из ТБ-7 потерпел катастрофу из-за отказа сразу двух дизелей. Отправиться в полет смогли только семь ТБ-7 из которых на свой аэродром вернулся лишь один, еще два самолета совершили вынужденную посадку на своей территории. Значительная часть бомбардировщиков при этом не смогла вернуться на аэродром из-за отказов двигателей.
По итогам рейда комбриг Водопьянов был отстранен от командования дивизией (правда, с учетом личных заслуг без прочих «организационных выводов» и с правом продолжать боевые вылеты в качестве командира экипажа). Справедливости ради, впрочем, причиной неудачи стала не только неудовлетворительная подготовка рейда командованием дивизии, которому отпустили крайне сжатые сроки – всего два дня, но и низкая надежность дизельных моторов.
Именно отказ от установки дизелей стал другим выводом, сделанным на основании неудачной операции, – на строящиеся серийные самолеты теперь устанавливались только двигатели АМ-35А, этими же моторами были заменены дизели и на части ранее выпущенных бомбардировщиков.
В 1942 году в связи с необходимостью увеличения выпуска Пе-2 строительство ТБ-7 было снова официально прервано, однако оборудование для их производства сохранили и фактически бомбардировщики продолжали строить.
К концу марта 1942 года в составе дальней авиации РККА имелось всего 11 ТБ-7 (с февраля 1942 года получивших наименование Пе-8), из них 8 исправных. В этой ситуации снова был проявлен интерес к выпуску тяжелого дальнего бомбардировщика. Но снова с заменой двигателя – в связи с необходимостью обеспечения штурмовиков Ил-2 моторами АМ-38 двигатель АМ-35 был снят с производства. В качестве альтернативы был предложен М-82.
Испытания самолета с новым мотором были признаны успешными, более того, было отмечено, что установка М-82: