Работа для них находилась и на других фронтах. После создания Авиации дальнего действия (АДД) большая часть тяжелых бомбардировщиков вошла в ее состав. В мае 1942 г. ТБ-3 53-й дивизии АДД сбрасывали грузы окруженным под Демьянском войскам и только за одну ночь на 4 мая доставили 1,8 т боеприпасов, 6,7 т продуктов и 1 т горючего. Медлительные гиганты были уникальны по своим возможностям при доставке крупногабаритной техники. Если ПС-84 мог принять на борт полевую или противотанковую пушку, то ТБ-3 на внешней подвеске мог увезти различную колесную или гусеничную технику вплоть до легких танков. Между стойками шасси в собранном виде могли уместиться и грузовик, и зенитное орудие. Такие рейсы совершались даже в тыл противника, например, летом 1942 г. под Вязьму к конникам генерала Белова.

С середины 1942 г. и в качестве ночных бомбардировщиков, и в качестве военно-транспортных самолетов ТБ-3 начинают вытеснять более современные ПС-84 (Ли-2). Позднее в транспортных полках и дивизиях появились еще более совершенные американские С-47. Но архаично выглядевшие четырехмоторники Туполева еще надолго задержались в советских ВВС. В июле эти машины участвовали в налетах на железнодорожный узел в Брянске. При этом сбросили одну ФАБ-2000, произведшую большие разрушения.

Временами ТБ—3 демонстрировали чудеса боевой живучести. Так, самолет капитана Я.И.Пляшечника был атакован в районе Луги двумя истребителями Bf 110. Горящий бомбардировщик на трех моторах вышел в заданный район и сбросил парашютистов, после чего летчикам удалось сесть на своей территории. В июле 1942 г. на поврежденном ТБ-3 экипаж старшего лейтенанта И.Ф.Матвеева успешно отбомбился в районе Воронежа и, потушив пожар, вернулся на свой аэродром. Матвееву 18 августа присвоили звание Героя Советского Союза.

На фронте старались по мере возможности усовершенствовать ТБ-3, в первую очередь его оборудование и вооружение. Бомбардировщики оснащали дополнительными пулеметами в бортах, ставили на старых машинах вместо открытых Тур-5 современные экранированные МВ-3 под пулемет ШКАС (иногда одну, иногда — две, вместо каждой Тур-5). Встречались и самолеты с верхней установкой УТК-1 под крупнокалиберный пулемет УБТ. Меняли радиооборудование, прицелы, ставили радиополукомпасы РПК-2Б и РПК-10.

Самолеты 53-й и 62-й дивизий АДД участвовали в оборонительном сражении под Сталинградом. Там они начали с бомбежек переправ через Дон. Годом позже бомбы ТБ-3 внесли свой вклад в победу под Курском, где совершил удивительный подвиг экипаж лейтенанта В. Безбокова из 7-го гв. полка. На своей тяжелой машине он сел ночью с зажженными фарами на кукурузное поле во вражеском тылу, чтобы забрать летчиков другого самолета, приземлившихся с парашютами. В конце сентября 1943 г. ТБ-3 участвовали в высадке парашютного десанта на Букринском плацдарме под Киевом.

С начала 1943 г. устаревшие бомбардировщики начали возвращать с фронта в летные училища. Так, в августе 1-й гв. полк АДЦ передал 12 самых старых и изношенных машин в Челябинск. Там они использовались для обучения бомбометанию и воздушной стрельбе до самого конца войны. С начала 1944 г. ТБ-3 окончательно перешли на роль военно-транспортных и учебных машин, причем эксплуатировались они преимущественно в тылу. Об этом косвенно свидетельствует статистика потерь. За 1944 год ВВС списали 15 ТБ-3 с моторами М-17, один — с М-34 и три — с М-34РН, но только из-за аварий и износа.

В тылу часть старомодных гигантов пережила крах «третьего рейха» Во всяком случае, в составе 52-го гв. полка 18-й воздушной армии (в которую превратили АДД) на 1 июля 1945 г. еще числились 20 таких самолетов.

18 августа 1945 г. ТБ-3 прошли на последнем в своей «жизни» воздушном параде. Три машины выступили в эпизоде «Старое и новое» — за ними летели три Пе-8.

В ходе послевоенного сокращения вооруженных сил все оставшиеся ТБ-3 вскоре списали.

Три самолета ТБ-3РН энгельской школы участвовали в воздушном параде в Тушино 18 августа 1945 г. Снимок сделан на подмосковном аэродроме в Быково.