Однако серийная судьба ТБ-7 оказалась крайне непростой. Его серийный выпуск смогли развернуть только в 1939 году под личную ответственность начальника НИИ ВВС А.И. Филина. 1 мая этого года ТБ-7 впервые увидела широкая публика – самолет участвовал в воздушном параде над Красной площадью. Строить машины решили в двух вариантах – с пятым «компрессорным» двигателем и без него. Но на деле дополнительные моторы были установлены только на первых четырех самолетах. Таким образом, ТБ-7 фактически «терял лицо», переставая быть уникальной высотной машиной. Летом 1939-го начались перебои и с поставками основных моторов М-34ФРНВ, так что сборка ТБ-7 вынужденно прекратилась после выпуска шести машин. А в начале 1940-го руководство казанского авиазавода № 124 было ошеломлено поступившим на его имя приказом о… разборке технологического оснащения по сборке ТБ-7, включая сборочные стапели!.. Причин тому было две: во-первых, бомбардировщик требовал большого количества дюралюминия, а во-вторых, по итогам разворачивающейся в Европе войны резко изменилась сама концепция советской бомбардировочной авиации. Было решено, что надобности в тяжелых стратегических бомбардировщиках не возникнет, и приоритет был отдан самолетам ДБ-3Ф и Пе-2.
Однако на этом история не закончилась. Весной 1940-го интерес к ТБ-7 снова вырос благодаря письму летчика-испытателя Стефановского на имя Ворошилова. Недавнего наркома авиации М.М. Кагановича, назначенного ответственным за «провал», «спустили» директором на тот самый завод № 124, где в мае производство бомбардировщика возобновили, уже с дизелями М-30 и М-40. Но темпы выпуска по-прежнему были очень невысоки – 12 самолетов за год.
Боевое крещение ТБ-7 могло бы состояться на советско-финляндской войне, но в январе 1940-го один бомбардировщик, управлявшийся летчиком Дацко, потерпел аварию, так и не добравшись до фронта. В боевые части (точнее, в 14-й тяжелый бомбардировочный авиаполк Киевского особого военного округа) ТБ-7 начали поступать осенью 1940-го. Огромные машины базировались на аэродроме Борисполь под Киевом. Там их и застала война. 25 июня 1941-го под немецкими бомбами погибли сразу пять стоявших на аэродроме ТБ-7. После этой трагедии 2-ю эскадрилью 14-го полка перевели в Казань, где на ее базе началось формирование 412-го (впоследствии 432-го) бомбардировочного полка. Восемь ТБ-7 этого полка вечером 10 августа 1941-го взлетели с аэродрома Пушкин и взяли курс на Берлин. Однако налет, к которому готовились всего чуть более суток, оказался неудачным: из 8 самолетов 5 были потеряны: два были повреждены немецкими зенитками и разбились при посадке на лес, один сбили финские зенитчики, один погиб по трагической ошибке – от огня зениток Балтфлота, еще один разбился на взлете из-за отказа двух дизельных двигателей М-40Ф. После этого оставшиеся ТБ-7 уже не оснащались дизельными моторами.
В 1942 году производство ТБ-7 остановилось в очередной раз – все силы казанского завода № 22 (такой номер получил 124-й завод после объединения с эвакуированным московским заводом № 22) были брошены на выпуск Пе-2. За 1941 год успели собрать 17 машин и за первые месяцы 1942-го – еще 20. Остановка выпуска ТБ-7 совпала по времени с трагической гибелью в авиакатастрофе его создателя – Владимира Михайловича Петлякова: он погиб 12 января 1942-го во время полета на Пе-2.
Все существовавшие на тот момент самолеты свели в один 746-й тяжелый бомбардировочный авиаполк. Сначала он базировался в Иванове, а с весны 1942-го в Кратове. Берлин летать уже не бомбили – этого не позволяли крайне «прожорливые» двигатели М-35А. Экипажи Пе-8 атаковали другие цели на территории Германии – Кёнигсберг (ныне Калининград), Данциг (ныне Гданьск), Инстербург (ныне Черняховск), Мариенбург (ныне Мальборк), Алленштайн (ныне Ольштын). Бомбили и оккупированные немцами советские города – например, Орёл в октябре 1941 года. Только летом 1942-го, накопив большой опыт эксплуатации машин с двигателями М-35А, летчики рискнули повторить налет на Берлин. Летали только ночами. Днем Пе-8 летали на бомбежку только однажды, но получили такое количество повреждений, что от этой практики решили отказаться. На задание шли одновременно от пяти до восьми машин. Приказы в полк поступали непосредственно из Ставки Верховного Главнокомандующего.