ТБ-3, не приспосабливавшийся специально для перевозки раненых, брал обычно шесть-восемь тяжело- и 14 легко- раненых, а оборудованный — 12 тяжело- и шесть легкораненых. Носилки ставили в три этажа в центроплане, рядом с бензобаками. Сидячие раненые размещались в фюзеляже и в плоскостях. Уже в ходе операций на Халхин-голе, в июле 1939 г., Санитарный институт РККА подготовил специальный проект санитарного ТБ-3 и просил выделить машину для переоборудования. 5 августа УВВС предложило взять пять бомбардировщиков из Ржева и доработать их на заводе №84 в Химках. Перегруженный заказами завод отказался. По-видимому, санитарные ТБ-3 так и не появились. Машины 4-го тбап дооборудовались на месте самостоятельно простейшим способом.

ТБ-3 совершили более 500 транспортных рейсов. Во всех случаях грузы и люди были благополучно доставлены по назначению. На одном самолете при полете в Читу загорелся правый ближний к фюзеляжу мотор. Пожар потушили в воздухе и прибыли к месту назначения. На другой машине в полете потек радиатор. Борттехник, привязавшись фалом к поручню фюзеляжа, прошел по плоскости с бидоном воды в руке и ручным насосом долил систему.

Когда советско-монгольские войска начали подготовку к наступлению, ТБ-3 из Обо-Сомона перешли на роль ночных бомбардировщиков. Первый вылет состоялся в ночь с 1 9 на 20 августа. На цели выходили поотрядно. Линия фронта обозначалась фонарями, располагавшимися в 3—7 км от переднего края и стоявшими так, что их было видно только при подходе с нашего тыла. Примерно в 8 км от передовой находилась ориентирная 50-метровая стрела из фонарей.

Бомбометание преследовало цель психологического изматывания противника, а иногда — шумовой маскировки перемещений войск на нашей стороне. Поэтому далее перешли к тактике полетов одиночными машинами в разное время. Каждую ночь стартовали 6-20 кораблей. Каждый ТБ-3 брал до 1300 кг бомб мелких калибров, всего за ночь сбрасывали тонн 25.

Обычно цель сначала подсвечивали САБами, затем, не торопясь, делали несколько заходов со сбросом бомб с высоты 1000-1500 м. Японская зенитная артиллерия вела огонь по бомбардировщикам, но без особого успеха. Зафиксирован единственный случай, когда ТБ-3 получил существенное повреждение — у самолета Л. Варочкина над линией фронта вывели из строя мотор. Тем не менее он добрался до цели на трех двигателях, отбомбился и вернулся на аэродром.

Поскольку ветрянки динамо-машин радиостанций крутились только в полете связь на земле осуществлялась флажным семафором

В целом до 15 сентября, когда японская группировка капитулировала, списали всего один ТБ-3, да и то после аварии. За этот период совершили 160 боевых самолето-вылетов. Во время операции на Халхин-голе эти самолеты впервые действовали как ночные бомбардировщики. Оценка их эффективности может быть различной. С одной стороны, они выполнили свою задачу — постоянно беспокоили врага, изматывая его войска, не давая им спать. В отчете ВВС 1-й армейской группы (в которую развернули 57-й корпус) указано: «Опыт применения во втором этапе ночной тяжелой авиации оказался успешным при отсутствии у противника ночной истребительной авиации и прожекторов. Ее действия наносили противнику как моральный, так и материальный ущерб». Вот в отношении второго вопрос спорный. Поиск рассредоточенных целей у фронта и в ближних тылах и их поражение в ночных условиях оказались достаточно сложны, «...результаты ночных бомбардировок незначительны», — говорил трофейный документ штаба 23-й пехотной дивизии японцев. Но в целом опыт ночного применения ТБ-3 оказался достаточно успешным.

Только-только закончились бои в Монголии, как ТБ-3 вновь оказались на передовой. 17 сентября 1939 г. Красная Армия перешла границу Польши. Для этой операции собрали большие силы авиации. В приграничных Белорусском и Киевском военных округах насчитывалось 157 ТБ-3, но техника была порядком изношена, и боеспособной являлась примерно половина от этого количества самолетов. На Белорусском фронте в 3-м тбап из 75 машин исправны были только 38. Интересно, что самолеты более поздних выпусков с М-34 и М-34Р по проценту боеготовых даже уступали старым бомбардировщикам с М-17. Две трети первых в Киевском округе были прикованы к земле.