На ТБ-3 возлагались исключительно транспортные функции. Сначала их использовали для переброски наземного состава передислоцируемых к фронту авиаполков. Когда войска перешли границу, выяснилось, что противника перед ними нет. На польской стороне находились разрозненные воинские части, в большинстве своем уже потрепанные немцами и отведенные в тыл на доукомплектование. Они были полностью лишены прикрытия с воздуха. Многие из них сдавались в плен с имеющейся техникой. Лишь наиболее стойкие пытались прорваться к румынской или венгерской границам, да и то, стараясь уклониться от боев с советскими войсками. Темпы продвижения Красной Армии намного превышали запланированные. Передовые отряды далеко оторвались от баз снабжения. Перелетевшие на захваченные аэродромы авиаполки остались без горючего и боеприпасов. Вот тут и пригодились ТБ-3.
Так, для конно-механизированной группы им. Дзержинского, двигавшейся на Гродно, самолеты 3-го тбап в течение четырех дней, с 20 по 24 сентября, сбросили на парашютах или доставили посадочным способом 100 т горючего. Сам штаб ВВС Белорусского фронта после перебазирования в Волковыск 18 суток кормился продуктами, сброшенными на парашютах. На Украинском фронте подобными же перевозками занимался 14-й тбап. Он доставлял людей, боеприпасы, продовольствие. Операции в Польше закончились к середине октября.
Уже в конце октября закончившие польскую кампанию части ВВС начали перебрасывать в Ленинградский военный округ. Через месяц началась война с Финляндией. В ней тоже не обошлись без ТБ-3.
Значительное количество этих машин до войны постоянно базировалось под Ленинградом. Они входили в 7-й тбап. После начала боевых действий прибыла также техника из тыловых округов. В ВВС 9-й армии вошла 2-я эскадрилья 3-го тбап. Первые пять ее ТБ-3 перелетели из Боровского под Калининым на ледовый аэродром Чикша в Карелии 9 января 1940 г. За ними прибыли еще три. В действующую на этом же участке фронта «группу Спирина» (ей командовал комбриг Спирин) вошли шесть ТБ-3 из 1-го тбап. Их перегнали из Ростова-на-Дону 1 марта. Эти самолеты базировались на аэродроме Проливы.
Поначалу четырехмоторные гиганты вылетали на бомбометание днем, под прикрытием старых истребителей И-15бис. Бомбили населенные пункты, железнодорожные станции, заводы. Но в районы активной деятельности финских истребителей их старались не пускать — применяли в основном на второстепенных участках фронта. Так, в полосе 9-й армии до января 1940 г. вражеских самолетов вообще не видели.
ТБ-3 7-го тбап, захваченный финнами 13 февраля 1940 г.
Бомбы брали разные — от мелких «зажигалок» и осколочных АО-32 до ФАБ-500. Налеты осуществляли с высот 2500-3000 м одиночными самолетами и мелкими группами. Подобным образом ТБ-3, например, бомбили Кюрюнсалми и Суомуссалми.
Но по мере повышения мастерства финских зенитчиков и летчиков-истребителей, пополнения авиации противника более современными типами машин, самолеты Туполева все больше переходили на «ночной образ жизни». В отчете ВВС 9-й армии записано: «Применение самолетов ТБ-3 в качестве боевой авиации из-за больших габаритов и малой скорости нецелесообразно, а применение днем совершенно недопустимо».
Окончательную точку на дневных вылетах на бомбометание поставил случай с самолетом из группы Спирина, произошедший 10 марта 1940 г. Недавно прибывшие ТБ-3 выпустили днем для ознакомления с районом перед ночными вылетами. Они шли группой без прикрытия. Целью являлся Рованиеми. У станции Вика их атаковал одинокий финский истребитель. Наши определили его как «Геймкок» (на самом деле — «Гладиатор» шведского производства, и летчик Г. Карлссон тоже являлся шведом). Он сделал несколько заходов снизу и сзади (в группу входили старые машины без кормовой и «кинжальной» стрелковых установок). Один из ТБ-3 завалился вправо и, снижаясь, скрылся в облаках. Стрелки бомбардировщиков открыли беспорядочный огонь. Истребитель ушел без повреждений, а вот на двух ТБ-3, не подвергавшихся его атакам, потом насчитали несколько дырок от пуль в стабилизаторах.
ТБ-3, командиром которого являлся старший лейтенант С.Т. Карепов, совершил вынужденную посадку на вражеской территории. Экипаж принял бой с окружившими машину финскими солдатами. Все погибли, кроме двоих, взятых в плен. Тогдашний начальник ВВС Смушкевич отреагировал на этот случай очень резко: «В дальнейшем категорически без моего особого разрешения запрещаю применять ТБ-3 днем».
Как ночные бомбардировщики четырехмоторные гиганты использовались до конца боевых действий. В частности, их применяли в период прорыва линии Маннергейма. Они сбрасывали на укрепленные районы бомбы по 250, 500, 1000 кг. Но в целом они совершили больше вылетов на транспортные перевозки, чем на бомбометание. В условиях зимы и бездорожья авиация зачастую оставалась единственным средством снабжения войск на передовой.