Оборонительное вооружение включало носовую и кормовую экранированные установки с 20-мм пушками ШВАК. Палубная и люковая установки комплектовались пулемётами ШКАС.
Предусматривалось использование машины для транспортировки различных грузов и людей.
При создании самолёта в КБ Туполева отказались от размещения двигателей над крылом, сделав ставку на более прогрессивную с точки зрения аэродинамики схему, расположив их на крыле. А для удаления воздушных винтов от воды несущей поверхности при виде спереди придали форму чайки.
МТБ-2 построили в марте 1937 года.
Самолёт представлял собой двухре-данную цельнометаллическую летающую лодку типа полумонокок с работающей обшивкой. Днище лодки делилось на водонепроницаемые отсеки, обеспечивающие необходимый запас плавучести в случае повреждения одного или нескольких из них.
Крыло — свободнонесущее типа «чайка», набранное из профилей ЦАГИ-40 средней относительной толщиной 15%.
Рули и элероны были обтянуты полотном. В центральной части крыла располагались топливные баки. Под крылом крепились неубирающиеся поплавки боковой остойчивости.
Силовая установка включала четыре двигателя М-87 с винтами ВИШ-3 диаметром 3,25 метра. Для удобства обслуживания двигателей в носках крыла по обеим сторонам каждой мотогондолы имелись откидные мостки.
Оборонительное вооружение включало носовую и кормовую экранированные установки с 20-мм пушками ШВАК, а также верхнюю фюзеляжную и нижнюю люковую (за вторым реданом) установки с пулемётами ШКАС калибра 7,62 мм. Нормальная бомбовая нагрузка -2000 кг, максимальная — 4000 кг. При этом бомбы могли подвешиваться как в фюзеляже, так и под крылом. Экипаж состоял из шести человек: штурмана (он же стрелок носовой установки), двух лётчиков, бортмеханика, стрелка-радиста и кормового стрелка.
Первый опытный экземпляр морского тяжёлого бомбардировщика МТБ-2 с моторами М-85
Первый экземпляр построили в марте 1937 года в варианте гидросамолёта, но с колёсным неубирающимся шасси. На машине стояли двигатели М-85 с винтами изменяемого шага ВИШ-3. Первый полёт на нём выполнил лётчик Т.В. Рябенко (второй пилот Шляпников) 19 апреля в Москве. Затем испытания продолжили на Химкинском водохранилище. Самолёт облетали М.М. Громов и А.Б. Юмашев. По оценке лётчиков, МТБ-2, получивший собственное имя «Чайка», был прост в пилотировании и доступен для освоения лётчиками строевых частей.
В ноябре МТБ-2 передали на государственные испытания, в ходе которых двигатели заменили более мощными М-87, с которыми он показал скорость 355 км/ч на высоте 3750 метров. Самолёт почти соответствовал требованиям 1934 года и рекомендовался для принятия на вооружение.
После ареста Туполева осенью 1937 года работы по МТБ-2 продолжили в ОКБ-ЗО во главе с А.П. Голубковым, находившимся на территории завода № 30 в подмосковном Иваньково.
После завершения государственных испытаний в 1938 году машину оснастили складывающимся шасси, превратив её в амфибию. На скулах носовой части лодки появились брызгоотражательные пластины. Доводка машины продолжалась до февраля 1939 года, когда после неудачной посадки разрушилась лодка, и она затонула.
Испытания продолжили на втором экземпляре МТБ-2бис с двигателями М-87А, отличавшегося от предшественника большей площадью крыла и оперения. На самолёте, как и на предшественнике, смонтировали складывавшееся в полёте колёсное шасси, зимой заменявшееся лыжами. Первый полёт дублёра, пилотируемого М.Ю. Алексеевым, состоялся 26 июня 1938 года с сухопутного аэродрома. Затем испытания продолжил лётчик Т. Рябенко.
Государственные испытания дублёра начались в апреле 1939 года (ведущий лётчик И.Т. Сухомлин). Не всё шло гладко. В одном из полётов загорелся двигатель, потушить который с помощью подручных средств не удалось, но Сухомлин всё же дотянул до бухты и благополучно приводнился. Несмотря на принятые экипажем меры, огонь удалось ликвидировать лишь с помощью подоспевшего пожарного катера.
В другом испытательном полёте отказал топливный насос и пришлось садиться на волны штормящего Керченского пролива, причём на двух двигателях. К счастью, недалеко оказались рыбаки, взявшие «Чайку» на буксир. В том полёте подтвердились высокие мореходные качества амфибии.
Государственные испытания дублёра показали, что машина обладает требуемыми запасами устойчивости, может продолжать полёт не только при отказе одного, но и двух двигателей (на одном полукрыле), и садиться при высоте волн до полутора метров. В таком виде амфибия рекомендовалась к принятию на вооружение, но с двигателями М-88. Однако спустя год взгляды военных, как следует из доклада командующего авиацией ВМФ С.Ф. Жаворонкова, в значительной степени устремились в сторону сухопутных самолётов. В итоге дальнейшую работу по МТБ-2 прекратили.