Официальное задание на постройку подобного самолета А.Н. Туполев получил еще в конце 1934 г. и одновременно с проектированием самолета СБ приступил к работам по своему дальнему бомбардировщику. Его было решено разработать путем дальнейшей модификации своего уже существующего одномоторного дальнего бомбардировщика ДБ-1, созданного на основе рекордного самолета АНТ-25, летные и боевые возможности которого уже не соответствовали новым требованиям ВВС. Модифицированный самолет А.Н. Туполева, получивший обозначение ДБ-2, строился уже с двумя двигателями. Летом 1935 г. ЦКБ-26 и ДБ-2 впервые поднялись в воздух. Использование в конструкции самолета С.В. Ильюшина ряда удачных решений, позволивших значительно повысить уровень его весовой отдачи по сравнению с ДБ-2, дало возможность не только выполнить, но и существенно превысить заданные военным Заказчиком скоростные возможности самолета. Начавшиеся испытания подтвердили заявленные в расчетах летные данные. При этом были отмечены хорошие устойчивость, управляемость и маневренные характеристики машины в воздухе, ее способность совершать полет при отказе одного двигателя. Высокие летные качества самолета были документально зафиксированы в целом ряду мировых рекордов скорости, дальности и грузоподъемности, установленных в течение 1936 г.
Однако ЦКБ-26 еще не был полноценной боевой машиной. Стараясь выиграть время, С.В. Ильюшин во время постройки самолета принял решение использовать в конструкции фюзеляжа и вертикального оперения дерево, в то время, как крыло и горизонтальное оперение выполнялись из металла. В августе 1935 г., после демонстрации самолета членам Правительства и руководителям ВВС, С.В. Ильюшину было предписано в кратчайший срок передать на завод №39 все рабочие чертежи второго опытного самолета ЦКБ-26 и представить его на государственные испытания в цельнометаллическом исполнении и полностью соответствующим всем требованиям к боевому дальнему бомбардировщику. Именно в этот период конструкторская группа С.В. Ильюшина в ЦКБ-39 была преобразована в ОКБ-39, а сам он назначен его главным конструктором. Численность сотрудников в тот момент составляла 90 человек.
Второй экземпляр опытного самолета ЦКБ-26, получивший военное обозначение ДБ-3, поднялся в воздух 31 марта 1936 г., а уже 1 мая он участвовал в воздушном параде над Красной площадью. В тот же день состоялся показ самолета членам Политбюро во главе с И.В. Сталиным, на котором В.К. Коккинаки впервые в СССР выполнил на бомбардировщике три последовательные мертвые петли, решившие дальнейшую судьбу машины.
Уже в июне на заседании Комитета обороны было принято решение о немедленном начале серийного производства нового дальнего бомбардировщика ДБ-3 на заводе №39. Этим же решением авиапрому предписывалось представить свои предложения о развертывании его массового производства еще на двух заводах: №18 и №126. В заключительном акте государственных испытаний, завершившихся уже в июле 1936 г., было записано: «По своим высоким летно-техническим и эксплуатационным качествам самолет ДБ-3 с двумя двигателями М-85 необходимо как можно скорее внедрить на вооружение частей РККА». Впоследствии, рассказывая о самолете, С.В. Ильюшин вспоминал: «Идея машины заключалась в том, чтобы она имела дальность 4000 км. Зачем такая дальность? А для того, чтобы можно было от нашей западной границы долететь, скажем, до Кельна. Это примерно 1600 км». Целый ряд контрольных перелетов в 1937- 1939 гг. на максимальный радиус действия с полной нагрузкой подтвердил боевую эффективность самолета. Самым выдающимся из них стал рекордный перелет В.К. Коккинаки и М.Х. Гордиенко в США, выполненный в апреле 1939 г. Его протяженность по прямой составила 6516 км, которые самолет ДБ-3 «Москва» с двигателями М-88 (и естественно отсутствующим вооружением) преодолел за 22 ч 56 мин со средней скоростью 348 км/ч.