К 7 июня 1936 г. 18 самолетов отправились в различные строевые части. Приоритет в получении новых бомбардировщиков получили 23-я тбаб в Монино, где велись войсковые испытания, и части ВВС ОКДВА. На Дальний Восток самолеты опять гнали по воздуху. Осуществляла это мероприятие сводная эскадрилья 26-й тбаб, прошедшая переподготовку в Москве. Самолеты, отправлявшиеся на Дальний Восток, комплектовали пеленгаторами АПР-1 или АПР-3.

На одном из последних этапов маршрута, Домно — Хабаровск, произошло несчастье. Все началось с того, что командирский корабль увяз на взлете. Остальные бомбардировщики полчаса ходили кругами, ожидая, когда он поднимется в воздух. Не дождавшись, заместитель командира повел группу вперед. Командир взлетел только через полтора часа и отправился догонять своих. Тем временем пятнадцать ТБ-3РН шли над облаками на высоте 5600 м. Устав, экипажи спустились в облака. Вот тут все и началось. Как потом выяснилось, даже почти все командиры кораблей не умели по-настоящему летать вслепую. Группа разбрелась. Четыре самолета благополучно сели в Бочкарево, семь — в Хабаровске, причем один из последних — без двух членов экипажа. Молодой штурман на пятом часу полета в «молоке» психанул и прыгнул с парашютом за борт. За ним последовал техник, решивший, что самолет терпит аварию. Этих двоих потом долго искали в тайге.

ТБ-3РН в полете

Из пяти оставшихся самолетов три отыскались на следующий день. Два совершили вынужденные посадки, подломались, но люди были живы. Третий оказался разбитым, экипаж погиб. То же произошло еще с двумя ТБ-3РН, обнаруженными позднее.

Тем не менее перегонку возобновили, и год спустя на Дальнем Востоке насчитывалось 45 ТБ-3РН. Ими были частично укомплектованы 26-я и 28-я тбаб. Самолеты этого типа поступили и в Ленинградский военный округ. На 1 января 1937 г. ВВС РККА имели 67 ТБ-3РН, около двух третей их них находились в строевых частях.

В эксплуатации у ТБ-3РН выявился ряд недостатков. По-прежнему моторы М-34РН страдали от конденсации топлива на холоде. Моторамы оказались недостаточно прочны, и их стали заменять усиленными. Расход масла у М-34РН был выше, чем у М-34Р, а объем маслобаков — прежний; в длительных полетах масла не хватало. Из-за того, что все четыре мотора имели одно и то же направление вращения, самолет при взлете разворачивало вправо — трудно было выдержать направление разбега. На ТБ-3РН ставили хвостовые колеса-пневматики; при большом весе они часто лопались на неровных полевых аэродромах.

Подобно «парадной десятке», с моторами М-34РН тоже выпустили три «представительских» машины для заграничных перелетов. На них советская авиационная делегация во главе с Алкснисом летала в Прагу в 1936 г.

Этот год стал последним, когда ТБ-3 строились в больших количествах. Конструкторы продолжали работать. Еще в 1935 г. на самолете опробовали еще более мощные моторы М-34ФРН. Этот двигатель также долго доводился и пошел в производство лишь в конце 1936  г. Государственные испытания ему удалось пройти только в 1937 г. Выпускались две модификации — М-34ФРНА (с четырьмя карбюраторами) и М-34ФРНБ (с шестью). Обе имели мощность 1000/1050 л.с.

ТБ-3РН на пражском аэродроме Кбели, 15 июня 1936 г.