За первые пять месяцев 1941 г. тяжелые бомбардировщики перевезли на Западный фронт 2791 т грузов и 2300 человек. Во время боев под Орлом самолеты из Ярославля перебросили части 5-го воздушно-десантного корпуса. Вместе с военными ТБ-3 в этом мероприятии приняли участие их гражданские «собратья» Г-2 (те же ТБ-3, только разоруженные). Когда советские войска попали в «котел» под Вязьмой, авиация снабжала их боеприпасами, продовольствием и горючим.
Большой вклад внесли ТБ-3 7-го тбап, 39-й тбаэ и транспортной эскадрильи Балтийского флота в организацию «воздушного моста» в Ленинград. Чтобы увеличить полезную нагрузку, с бомбардировщиков сняли бомбодержатели, стремянки, часть оборудования. Впрочем, внешние бомбодержатели пригодились — на них возили танковые моторы. ТБ-3 брал четыре двигателя весом по 650 кг каждый. Обратными рейсами доставляли из Ленинграда эвакуируемых.
В ноябре 1941 г. самолет старшего лейтенанта А.И. Судакова вез из Ленинграда 20 женщин и детей. Над Ладогой летевший без прикрытия самолет атаковала пара «мессершмиттов». Возник пожар в правой плоскости, был убит стрелок-радист Дадыкин, тяжело ранен второй пилот Петров. Поврежденный бомбардировщик с трудом сел на лед у «дороги жизни».
Четырехмоторные «старички» приняли участие и в битве под Москвой. В ВВС Западного фронта на 25 сентября 1941 г. имелось 25 ТБ-3 — около 40% всех имевшихся там бомбардировщиков. Вообще с сентября численность самолетов этого типа на фронте начала падать — сказались большие потери. На 22 октября в строю дальней авиации оставались 92 ТБ-3. Но относительные потери ТБ-3 были меньше, чем у ДБ-3, и к концу ноября они составляли еще до трети ее парка.
Бомбардировщики работали исключительно по ночам. Так, в ночь с 9 на 10 октября самолеты 1-го и 3-го тбап бомбили скопление механизированных войск немцев у станции Угрюмово (южнее Юхнова), на следующую ночь — юго-восточнее Вязьмы. Потом целями стали знакомые аэродромы в Боровском, Шаталове, Орше. Летали «на коротком плече», базировались близко от передовой и постоянно отступали. Площадки одна за другой доставались немцам, иногда вместе с самолетами, не успевшими улететь.
Экипаж готов к вылету, Крым, февраль 1942 г.
ТБ-3 активно использовались для доставки десантов
Воентехник 2-го ранга Махунов Н.И. и сержант Лепилин П.А. за осмотром мотора. Кавказский фронт. Февраль 1942 г.