Значительного улучшения лётных данных смогли добиться лишь после установки редукторных двигателей М-34Р, но не сразу. На опытном самолёте в 1933 году удалось достигнуть лишь скорости 229 км/ч, почти в полтора раза увеличить скороподъёмность и немного потолок. И только после улучшения аэродинамики самолёта на испытаниях в июле 1934 года получили характеристики, удовлетворявшие конструкторов и заказчика — ВВС.
На серийных машинах окончательно сняли крыльевые пулемётные установки, а взамен ввели кормовую стрелковую установку. Кроме этого, увеличили хвостовое оперение, руль поворота с изменённой геометрией подняли вверх и снабдили флетнером, усилили килевую колонку и установили зализы крыла, оперения и мотогондол. Появилось хвостовое колесо, задние колёса на тележках основных опор заменили тормозными, а резиновые амортизаторы — масляно-воздушными. В результате максимальная скорость возросла до 242,5 км/ч, а практический потолок — до 5100 м.
Летом 1934 года на Дальнем Востоке прошли учения ВВС с широким привлечением ТБ-3. Эффект от их применения превзошёл все ожидания. В июльском постановлении Комитета обороны СССР, в частности, отмечалось: «Учитывая большую боевую ценность кораблей ТБ-3 с мотором М-34 с редуктором и особенно с редуктором и нагнетателем, обязать НКТП всемерно форсировать выпуск этих самолётов… Обязать УВВС РККА немедленно по получении от промышленности установить на эти самолёты <…> пулемёты ШКАС, в первую очередь в авиачастях на Дальнем Востоке».
Носовая стрелковая установка с пулемётом ШКАС
Турельные установки УТК-1 с пулемётом УБТ калибра 12,7 мм монтировались в годы войны лишь на отдельных экземплярах ТБ-3
Впоследствии на ТБ-3 все спарки пулемётов ДА заменили одиночными ШКАСами, отличавшимися большой скорострельностью. Такая защита воздушных кораблей, призванных решать стратегические задачи, всё же считалась недостаточной в середине 1930-х, но крупнокалиберного оружия для самолётов в стране ещё не существовало.
Уже в годы войны часть ТБ-3 укомплектовали экранированными турелями с крупнокалиберными пулемётами УБТ.
Наиболее высокие лётные характеристики были получены после монтажа двигателей с наддувом М-34РН. Кроме них, на самолёте появилась кормовая стрелковая установка. В связи с этим уменьшили площадь вертикального и увеличили площадь горизонтального оперения. Изменили форму руля поворота, который для снижения усилий на педалях снабдили флетнером.
Если на ТБ-3-4М-17 стояли двухлопастные воздушные винты диаметром 3,5 м, то на машине с М-34РН на внутренних двигателях использовали четырёхлопастные винты диаметром 4,4 м, а на крайних, где крыло было тоньше, — четырёхметровые двухлопастные. Положительным было и то, что ёмкость системы охлаждения моторов сократилась до 130 литров на двигатель. Суммарный же выигрыш только на охлаждающей жидкости составил 120 кг, по сравнению с машинами, оснащавшимися моторами М-34.
На костыльной опоре поставили колесо.
Богаче стало и приборное оборудование самолёта.
При взлётной массе 23 050 кг дальность полёта достигла 3000 км, максимальная скорость на высоте 4200 м — 288 км/ч, а потолок — 7740 м. Но в 1935 году эти данные уже не удовлетворяли военных. Несмотря на усилия промышленности, самолёт морально старел прямо на глазах.
В отчёте по государственным испытаниям бомбардировщика с моторами М-34РН отмечалось: «Самолёт по <…> максимальной скорости, потолку, скороподъёмности имеет несомненное преимущество перед T5-3M-34P, в то же время значительно уступает по максимальной скорости <…> «Боинг-229».
В биографии ТБ-3 бывало всякое — и взлёты и падения. Перечислить все аварийные ситуации невозможно, но одна из них заинтересует читателя. В октябре 1938 года бомбардировщик с двигателями М-34РН, пилотируемый лётчиком М.А. Гуровым, на высоте 4200 м подошёл к грозовому облаку. Воздушный корабль резко бросило в пике с левым разворотом. Все попытки экипажа вывести самолёт, разогнавшийся до запредельной скорости, оказались тщетны. В итоге, ТБ-3 стал разрушаться. Сначала отвалилось хвостовое оперение, затем -штурманская рубка. Остальная часть фюзеляжа, как показало расследование, разломилась между 12-м и 13-м шпангоутом. Почти одновременно сорвало обшивку с обеих плоскостей несущей поверхности. Из одиннадцати человек экипажа спастись на парашютах удалось лишь восьми.
На последних сериях T5-3M-34PH тележки шасси заменили двухметровыми колёсами и изменили форму носовой части фюзеляжа в связи с установкой экранированной турели. В подобной конфигурации выпустили и четыре самолёта «Авиааркти-ка», предназначавшихся изначально для высадки экспедиции на Северный полюс.
В Экспериментальном институте НКТП, возглавлявшемся П.И. Гроховским, а затем в КБ-29 под руководством Привалова разрабатывались устройства подвески боевой техники и автомобилей под фюзеляжем бомбардировщика. ТБ-3 доводилось перевозить артиллерийские орудия, мотоциклы, а в августе 1935 года прошли войсковые испытания подвески лёгкого танка Т-27.
В том же году испытывался объект Р-52 -ТБ-3 с установленными на нём двумя орудиями калибра 76 мм.
В 1933 году проводились опыты по дозаправке бомбардировщика топливом в полёте от самолётов Р-5 и ТБ-3, испытывался также бензо- и маслозаправщик наземной техники (ТБ-3 № 22453, доработанный в КБ УВВС). Спустя три года испытали ещё одно устройство для перелива горючего из летающего танкера в бомбардировщик.
Летом 1939 года предприняли очередную попытку улучшить лётные данные машины. На моторы АМ-34РН установили турбокомпрессоры ТК-1 и винты регулируемого шага ВРШ-34. Испытания показали, что практический потолок достиг 8000 м (до расчётных 8900 м так и не поднялись из-за низкого КПД воздушных винтов). Максимальная скорость в сравнении с серийным ТБ-3 практически не изменилась -284 км/ч. В результате приняли решение о нецелесообразности модернизации бомбардировщика.
В 1936 году на нескольких ТБ-3 установили форсированные двигатели АМ-34ФРН, позволившие довести его скорость до 300 км/ч, потолок — до 8000 м. Однако эти моторы обладали низким ресурсом, не прошли государственные испытания и не могли применяться на серийных машинах. Тем не менее, в октябре того же года экипаж А.Б. Юмашева установил шесть мировых рекордов. Контрольный груз весом 5000 кг подняли сначала на высоту 8116 м, а затем на высоту 8960 м, груз весом 10 000 кг — на 6605 м, а 12 000 кг — на 2700 м.
В годы Второй мировой войны 15 нефтеперегонных заводов Румынии давали Германии свыше 7% нефтепродуктов, поставляемых зависимыми странами и сателлитами. Самолёты дальней и фронтовой авиации периодически наносили удары по нефтеносным районам Румынии. Однако транспортная артерия, связывающая их с портом Констанца, продолжала действовать. Самым уязвимым считался участок нефтепровода, проложенного по нижнему ярусу Чернаводского моста через реку Дунай.