Pierwszy lot drugi prototyp odbył 26 czerwca 1938 roku. 11 sierpnia 1938 roku przystąpiono do prób fabrycznych i państwowych, które potwierdziły wysoką jakość bombowca. Następnie samolot z dalszym przeróbkami przekazano jako wzorzec dla produkcji seryjnej. Podczas wojny drugi prototyp służył do szkolenia, po czym w 1942 roku został zmodernizowany i zaadaptowany na bombowiec, używany bojowo do końca wojny.
Produkcja seryjna Samolot został przyjęty na uzbrojenie pod oznaczeniem TB-7, od tjażołyj bombardowszczik (ciężki bombowiec). Dokumentacja potrzebna do produkcji seryjnej TB-7 była gotowa pod koniec roku 1938. Samoloty seryjne otrzymały kilka ulepszeń w stosunku do drugiego prototypu. Najbardziej widoczną różnicą stała się forma nosa kadłuba, z gładkim przeszklonym spodem, bez wystającej „brody” ze stanowiskiem bombardiera. Zmianie uległa też konfiguracja okien w kadłubie. Ludowy Komisarz Przemysłu Lotniczego Michaił Kaganowicz zarządził, by produkcję samolotu umieścić w Zakładach nr 124 w Kazaniu w Tatarstanie, których głównym konstruktorem mianowano Iosifa Niezwała. Zakłady te, nowo utworzone w 1934 roku, były specjalnie przygotowywane do produkcji dużych samolotów transportowych ANT-20bis (PS-124) i bombowych DB-A. Problemem była jednak kadra inżynierska, której rdzeń trzeba było kompletować w Moskwie, niechętna do delegacji do odległego Kazania.