Всего за год смогли сформировать 17 тяжелобомбардировочных эскадрилий. При этом доля бомбардировочной авиации в ВВС РККА поднялась с 26 % до 35 %. Хотели же получить гораздо больше — из-за недовыполнения планов в 1933 г. отказались от создания шести тяжелобомбардировочных бригад. По первоначальным наметкам уже к концу того года хотели иметь 864 тяжелых бомбардировщика в сухопутной авиации и 576 в морской! Правда, это относилось к тяжелым бомбардировщикам вообще, так как ТБ-1 в этом раскладе уже не учитывались. Предполагалось, что «линкоры 2-го класса» ТБ-3 в 1934–1935 гг. будут дополнены «линкорами 1 — го класса» — ТБ-4 и ТБ-6 (соответственно восьмимоторными и двенадцатимоторными!). Четырехмоторные машины при этом должны были составлять половину парка тяжелобомбардировочной авиации, ТБ-4 — 40 %, а ТБ-6 — оставшиеся 10 %. Но восьмимоторный гигант остался только опытным образцом, а ТБ-6 вообще не построили и ТБ-3 надолго остался «становым хребтом» отечественной тяжелобомбардировочной авиации, причем именно самолеты с моторами М-17 стали самой массовой модификацией ТБ-3 (более половины общего выпуска).
С 1934 г. парк тяжелобомбардировочной авиации начал пополняться усовершенствованными самолетами с отечественными моторами М-34. Новую силовую установку предлагалось внедрить на серийных машинах еще в 1933 г. В ноябре 1931 г. этот двигатель прошел государственные испытания с импортными карбюраторами и магнето, а в следующем году — с отечественными агрегатами. С начала 1933 г. серийные М-34 (мощностью 750–800 л.с.) начали выходить из цехов московского завода № 24 (ныне «Салют»), До конца года выпустили 790 экземпляров.
Однако реальный прирост скорости, определенный на испытаниях, оказался невелик — около 10 км/ч. Расход горючего при этом изрядно возрос, а значит, уменьшилась дальность. В итоге пришли к выводу, что для тихоходного ТБ-3 будут более выгодны готовящиеся редукторные М- 34R позволявшие поднять КПД винта при малых скоростях. Но М-34 все- таки внедрили на серийных бомбардировщиках завода № 22, поскольку это давало некоторое улучшение взлетных характеристик и позволяло освоить новую мотоустановку. Двигатели получили новые, более обтекаемые капоты и новые радиаторы, перемещенные назад, под крыло. Из новшеств появилось также калориферное отопление кабин. Тепло забирали от выхлопных коллекторов двигателей. Винты оставались деревянными двухлопастными, диаметром 3,18 м.
Самолеты с М-34 были почти на тонну тяжелее — больший вес имели сами моторы, почти вдвое увеличили емкость маслобаков, в полтора раза стало больше воды в системе охлаждения. Бомбовое и стрелковое вооружение оставалось идентичным самолетам с моторами М-17. Только последние серии с бомбардировщика № 22386 лишились подкрыльевых опускаемых башен. Их заменили «кинжальной» установкой в люке фюзеляжа для стрельбы вниз-назад. В люке имелись два гнезда для шкворней, но только один пулемет ДА с запасом из шести дисков.
Массовый выпуск новой модификации хотели начать с осени 1933 г., но моторы поступали с перебоями и в январе следующего года завод продолжал сдавать некоторые самолеты с моторамами под М-34, но стояли на них М-17. Фактически серийный выпуск развернулся с бомбардировщика № 22281. К 1 января 1934п ВВС приняли 38 новых машин. Моторы М- 34 оценивались как временные, а сама модификация — как переходная, но таких ТБ-3 выпустили около сотни.
От серии к серии по мере совершенствования производства планер бомбардировщика становился легче. Если первые машины с М-34 имели пустой вес в среднем около 12.500 кг, то далее он снизился до 12.200 кг, а у самолетов без башен Б-2 он дошел до 12.100 кг.
Первой самолеты с моторами М-34 начала осваивать 23-я ТБАБ в Монино. На 7 марта в ней уже находились 22 машины, но освоили этот тип только девять экипажей. К началу июля на ТБ-3 с М-34 уже летала вся бригада. Затем самолеты поступили во 2-ю ТБАБ ВВС Балтийского флота и 11-ю ТБАБ в Монино. Однако ВВС продолжали настаивать на внедрении на ТБ-3 редукторных М-34Р. Эта модификация микулинского двигателя была изготовлена опытной серией в июле 1932 г. В мае следующего года она прошла государственные испытания, а с конца года выпускалась серийно, но только в апреле 1934 г. из цехов начали выходить первые, вполне годные моторы.