Первые заводские испытания проводили на полигоне под Ногинском в августе 1 935 г. Сначала стреляли на земле. Из экипажа на борту находился только стрелявший, но ко всем креслам привязали по собаке. Боялись, что отдача если не разрушит конструкцию, но будет болезненной для людей. Но все прошло благополучно. В отчете записали: «Состояние собак — нормальное». И с седьмого выстрела на борту находился полный экипаж — девять человек.
29 августа сделали первый выстрел в полете. Произвели девять выстрелов по цели на земле (щиту), но ни разу не попали. Стреляли с высоты 600 м с дистанции около 2 км, с пологого пикирования. Впечатление о выстреле: «...самолет испытывает легкое содрогание».
Наводка могла осуществляться только разворотом всего самолета, поскольку пушки закрепили неподвижно. Стреляли залпом, а сигналом служило загорание на комодном щитке красной лампочки. Неприятным сюрпризом оказался разворот самолета за счет несинхронной стрельбы пушек в крыле — один дернул за шнур чуть раньше, другой — чуть позже. Избавиться от этого при подобной схеме управления огнем было невозможно.
В сентябре 1 935 г. Г-52 проходил государственные испытания в НИИ ВВС. Там сделали 62 выстрела. Деформаций планера не обнаружили. Общий вывод испытателей гласил: «Проведенные стрельбы на земле и в воздухе показали принципиальную возможность стрельбы из откатных 76 мм пушек (обр. 27 и 31 г.), установленных на самолете ТБ-3, что является первым опытом как у нас в СССР, так и по имеющимся материалам — за границей». В числе недостатков указали на низкую скорострельность (4-5 выстрелов в минуту, при удвоении расчетов — 8-10), невозможность регулировки установки орудий, малый боезапас (Гроховский предлагал сделать «погреба» в бомбоотсеке), несинхронность стрельбы, разные баллистические характеристики пушек (снаряды летели по разным траекториям, и при увеличении дальности стрельбы разброс попаданий значительно увеличивался), отсутствие гильзоулавливателя у зенитной пушки.
Теоретики из Военно-воздушной академии уже разрабатывали сценарии возможных боевых операции с применением «летающих батарей». Начальник инженерно-командного факультета писал: «Установка пушки 76 мм калибра с нормальной начальной скоростью открывает новую эру в области вооружения самолетов». Г-52 собирались применять для поддержки воздушных десантов и использовать в качестве подвижных зенитных батарей...
В дальнейшем предлагалось сделать пушечные установки подвижными, снабдить артиллеристов дальномерами и полуавтоматическими прицелами, сконструировать прибор для автоматической установки дистанционных трубок. А замахиваясь еще дальше, фантазировали об эскадрах «летающих батарей» с единой системой управления огнем, где флагман бы мог сосредотачивать всю мощь артиллерии соединения на выбранных им целях, непосредственно управляя их орудиями по радио.
Гроховский, хоть и был большим фантазером, намечал на будущее более реальные цели. Следующим этапом должен был стать ТБ-3Р с тремя мощными пушками обр. 31 г. В акте утверждения отчета о госиспытаниях (датированным октябрем 1935 г.) было написано: «...заказать в 1935 г. серию самолетов ТБ-3 М-34Р в 12 шт. с установкой на них 2-х пушек обр. 1927 г. и одной зенитной обр. 1931 г. со сроком изготовления 1-ro декабря с.г.».
Но концепция ТБ-3 с пушками имела много противников. Еще в июне 1932 г., когда Гроховский только высказал эту идею, тогдашний начальник НИИ ВВС Бузанов в письме к Алкснису доказывал, что Р-5 с подвеской восьми-десяти реактивных снарядов может сделать то же самое и при этом обойдется вшестеро дешевле, а обладая лучшей маневренностью и меньшими размерами, сам окажется менее уязвимым. Позже альтернативой стали динамореактивные (безоткатные) пушки, монтируемые на истребителях. Работу Гроховского закрыли. Ни одного серийного Г-52 не построили. ТБ-3 так и не стал истребителем.
Радиус действия ТБ-3 пытались увеличить дозаправкой его в воздухе. Эти работы осуществлялись под руководством А.К. Запанованного. В качестве танкера выступал Р-5. С него ручной лебедкой выпускался бронированный шланг, на конце которого висела «грузовая груша» — попросту увесистая гиря. Дозаправлялся ТБ-3 с моторами М-17. Приемная горловина на бомбардировщике размещалась на фюзеляже перед турелями Тур-5, от нее шла разводка к крыльевым бакам. Бензин с танкера поступал самотеком — заправщик просто шел несколько выше заправляемого самолета. Доработку Р-5 и ТБ-3 осуществлял завод №39. Государственные испытания велись в сентябре-ноябре 1933 г. «Грузовую грушу» ловили сразу два стрелка — один не мог удержать бьющийся на ветру шланг. 20 ноября экипаж летчика Иванова впервые успешно дозаправил свой ТБ-3.
Впоследствии бомбардировщик Туполева сам стал танкером. С него заправлялись в полете истребители И-5 и И-16. На ТБ-3Р монтировался комплект АЗ-21 весом 59,3 кг, на истребителе — АЗ-22 (приемная горловина и автоматический отсекающий клапан). Переоборудовали два ТБ-3Р, и 22 июля 1936 г. впервые перелили горючее из танкера в И-16. Но дальнейшего продолжения эти работы в то время не имели.
ТБ-3Р также переделывался в танкер для переброски горючего сухопутным войскам. В бомбоотсеке установили два металлических бака Б-1000, вмещавших 2140 л топлива. На земле насосы наполняли их за 10-12 минут. На испытаниях самолет садился на полевые площадки и спивал бензин в баки танков БТ-7 и заправщиков на шасси ЗиС-6.
Впоследствии в ходе различных учений и реальных боевых действий ТБ-3 доставляли горючее войскам. Но для этого использовали либо стандартные бочки, либо специальную тару — баки ПДББ, сбрасывавшиеся с парашютами.
Идея самолета-авианосца в нашей стране неразрывно связана с именем В.С. Вахмистрова. В 1931 г. он выдвинул идею «авиаматки» — бомбардировщика, несущего на себе истребители. Последние могли защитить своего носителя и другие самолеты группы там, куда истребители не могли бы добраться самостоятельно — не хватило бы горючего. Свою идею Вахмистров изложил в письме, 1 июня 1931 г. направленном в УВВС.
Уже в декабре 1931 г. совершил первый полет ТБ-1, на крыльях которого размещались два истребителя И-4. Система получила название «Звено-1». В 1932 г. начались работы по использованию в качестве носителя ТБ-3. Проект назвали «Звено-2А». Четырехмоторный бомбардировщик должен был нести три истребителя И-5 — два на крыльях и третий на фюзеляже. Первые полеты совершили только с двумя истребителями на крыльях, позднее добавили еще один.