К началу 1936 года из войск пришло множество рекламаций, свидетельствовавших о недоведённости отдельных агрегатов танка. Чтобы устранить эти недостатки, одну серийную машину (№ 0183-5) подвергли широкомасштабным испытаниям. Их начали 25 апреля 1936 года в окрестностях Харькова на основании задания Автобронетанкового управления (АБТУ) РККА (бывшее УММ) с целью проверки «боевых и технических свойств танка при работе в различных условиях». Испытания продолжались до 1 августа 1937 года. На этот период пришёлся и один большой перерыв (с 12 января по 2 июля 1937 года), вызванный тем, что при переходе 12 января реки Донец танк не смог выйти на обледеневший берег и завяз в реке. С помощью тракторов и специальных приспособлений тяжёлую боевую машину смогли вытащить только к 29 января, и лишь 21 февраля танк прибыл на завод. Здесь произвели переборку всех его механизмов, некоторые из них заменили модернизированными, сконструированными на основании результатов испытаний. Всего же Т-35 прошел 2000 км, из них 1650 км по грунтовым просёлочным дорогам и пересечённой местности. За это время на нём сменили три двигателя, причём первый проработал только 46 часов.
В результате испытаний Т-35 была выявлена ненадёжная работа системы охлаждения двигателя, главного и бортовых фрикционов, коробки скоростей и другие недостатки. Поэтому в течение 1936–1937 годов ХПЗ ввёл в конструкцию танка ряд изменений. Были модернизированы коробка передач, бортовые фрикционы, масляный бак, электрооборудование, изменена конструкция фальшборта (для улучшения проходимости), спроектированы и изготовлены специальные уплотнения корпуса для предохранения от попадания воды внутрь машины. Кроме того, глушитель, расположенный поперёк кормовой части корпуса и прикрытый с боков броневыми щитками, убрали внутрь корпуса, а наружу вывели лишь выхлопные трубы, защищённые броневым кожухом.
Благодаря этой модернизации на машинах выпуска 1937 года значительно повысилась надёжность работы как отдельных агрегатов, так и всего танка в целом. Например, пробег до капремонта модернизированных образцов Т-35 составлял 2000 км, а у машин ранних выпусков — менее 1500 км. Однако все эти изменения, а также то, что Мариупольский металлургический завод поставлял некондиционные бронелисты (из-за нарушения техпроцесса прокатки), толщиной 23 мм вместо 20, привело к увеличению массы машины до 52 т.
Вместе с тем стало ясно, что бронирование Т-35 слишком слабо и не удовлетворяет возросшим требованиям, предъявляемым к тяжёлому танку прорыва. Поэтому Постановлением Правительства от 25 июля 1937 года ХПЗ поручалось спроектировать танк Т-35 с утолщённой броней корпуса и башен. 7 октября 1937 года И. Бондаренко докладывал начальнику АБТУ, что «тактико-технические требования на указанную машину не получены, разработка проекта ведётся исходя из применения гомогенной брони следующих толщин: лобовые листы — 75 мм, верхний и нижний наклонные листы носа — 30 мм, борт — 30 мм, листы шестиграна (то есть подбашенной коробки. —
Постановлением Правительства требовалось в текущем году выпускать серийные Т-35 с коническими башнями, договор же с АБТУ на 1938 год, вопреки Постановлению Правительства, предусматривает танки с цилиндрическими башнями».
Уже в ходе проектирования стало очевидным, что при указанной толщине броневых листов уложиться в заданный вес — 60 т — невозможно. Поэтому КБ начало искать решение другой компоновочной схемы. Было предложено семь вариантов, которые при сохранении базы Т-35 различались количеством башен и их размещением.