大型機を得意とするツポレフが設計した４発の大型爆撃機でソ連が世界の最先端をいく航空機を作った最初である。　初飛行は１９３０年。　当時各国ではこのクラスは羽布張り構造で複葉機が標準であったがツポレフが採用したのは全金属製の単葉機であった。　世界はソ連の航空界にはまったく注目を払っていなかったため第二次大戦が勃発した後で始めて本機を見た専門家たちはその無骨な時代遅れの機体に軽蔑のまなざしを向けたのであるが、じつは本機は１０年も前に設計されたものであることを見落としていたのである。 初飛行はアメリカのカーチス社製コンカラーエンジンを搭載して行われ、多少の技術的問題はあったものの極めて優れた爆撃機であることを実証し、１年足らずの間に２つの工場で量産されることになった。　最初の量産型はドイツのBMW VIエンジン(730馬力）をライセンス生産したM-17エンジンを搭載、１９３２年のメイデーのパレードでは９機がデモンストレーション飛行を見せた。ＴＢ－３は世界のどの航空機よりも搭載量が大きく、８挺の7.62mm機関銃を備え重武装を誇った。　機体は胴体、翼とも金属の波板構造で厚い主翼の中をエンジンまで這っていけ飛行中に点検ができるようになっていた。　生産は１９３８年まで続き、最終型はM-34RFNエンジン（1,050馬力）を搭載した。 １９３３年には日本軍による満州征服に脅威を感じたソ連はシベリア方面にＴＢ－３からなる３つの爆撃隊を極東方面に送っている。　これらは１９３８年、ササン湖付近での日本軍との衝突に参加し、またその翌年のノモンハン事変でも日本軍と戦っている。 ドイツによるソ連侵攻が始まって２ヶ月後には多数のＴＢ－３が失われ、１９４１年１０月時点では９２機が残るだけとなり、これらは輸送部隊や時折行われた夜間爆撃などに使用された。　ＴＢ－３は爆撃だけでなく輸送やパラシュート部隊搬送など多くの用途に使われたが、変わったところでは単座戦闘機を翼下に吊り下げ、目的地近くでこれを放つというパラサイト戦闘機の実験に使われた。　これの最終型はI-16戦闘機を改造した急降下爆撃機を２機ぶらさげたＴＢ－３ ６機で構成された部隊がドイツ軍に対して攻撃を行っている。