Самолет, получивший помимо армейского заводской индекс АНТ-42, имел весьма внушительные размеры (размах крыла – 39 метров, длина – 23,5 метра) и такой же внешний вид. Первоначально самолет получил четыре двигателя М-34ФРНВ, но последующие варианты имели другие силовые установки – М-35А, М-82ФН, дизельные М-30, М-40 и АЧ-30Б. Самым распространенным был 1200-сильный двигатель М-35А. Кроме четырех моторов в крыльях имелся и пятый, невидимый внешнему наблюдателю: он был расположен внутри фюзеляжа и предназначался для обеспечения работы компрессора, нужного для полетов на больших высотах (турбокомпрессоров еще не существовало).
Экипаж АНТ-42 размещался на двух уровнях. Наверху работали командир и его помощник, кресла которых размещались одно за другим. Нижнюю палубу занимали стрелок-бомбардир, штурман, борттехник с помощником и радист. Стрелков было четыре, причем два подшассийных стрелка размещались в гондолах шасси. Для их защиты, а также для защиты штурмана и летчиков применялись 9-миллиметровые бронедетали.
Оборонительное вооружение АНТ-42 на фоне других советских бомбардировщиков делало его мощнейшим «воздушным линкором» – две пушки ШВАК, два крупнокалиберных пулемета УБТ и два пулемета ШКАС. Единственным уязвимым местом самолета была нижняя часть фюзеляжа, где не было огневой точки. АНТ-42 мог нести две тонны бомб, максимум – четыре. Самыми небольшими бомбами, которые применялись на этом типе самолета, были 100-килограммовые, но обычно использовали 250– и 500-килограммовые. Мог АНТ-42 нести и тонную, и двухтонную бомбу. Специально для этого самолета была разработана пятитонная бомба ФАБ-5000НГ, которая полностью не помещалась в бомбоотсек. С двумя тоннами бомб на борту самолет мог лететь на расстояние 3600 километров (с двигателями М-35А), 5460 километров (с М-30 и М-40) или 5800 километров (М-82). В дальнейшем планировалась постройка также десантного варианта и пассажирского самолета, рассчитанного на 40 мест.
В 1935 году разработка самолета затормозилась из-за того, что конструкторы анализировали причины крушения АНТ-20 «Максим Горький» и проектировали его улучшенное продолжение, однако в следующем году темп работ вновь вырос. С апреля 1936-го помимо первого экземпляра строился также второй – «дублер». К ноябрю первый экземпляр АНТ-42 был готов, не хватало только моторов. 27 декабря 1936 года М.М. Громов впервые поднял машину в воздух. На протяжении всего 1937 года шли усиленные испытания бомбардировщика, на которых выяснился его главный недостаток: двигатели «не тянули» с заявленной мощностью, отчего страдала и скорость, и высотность. Потому-то ТБ-7 и «перемерял» на себе столько моторов: из машины пытались выжать те данные, которые были обещаны заказчикам из ВВС.
Октябрь 1937-го внес свои коррективы в планы конструкторов: органами НКВД были арестованы А.Н. Туполев, В.М. Петляков, В.М. Мясищев и некоторые другие сотрудники туполевского КБ. В вину им вменили то самое затягивание работ по бомбардировщику, назвав его «злонамеренным». Так Владимир Михайлович Петляков был лишен возможности «доводить» свое детище до серийного выпуска. Судьба ТБ-7 легла на плечи Иосифа Фомича Незваля, который с полным основанием может считать главным соавтором этого самолета. Поскольку Туполев был арестован, АНТ-42 был переименован просто в «самолет 42» и подвергся серьезному переосмыслению: он получил не только новые двигатели, но и удлиненный фюзеляж, новые рули высоты и направления, улучшенные шасси. Сначала испытывали вариант с лыжным шасси, и он удостоился высокой оценки комиссии: