Обычно цель сначала подсвечивали САБ-ами, а затем, не торопясь, делали несколько заходов со сбросом бомб с высоты 1000 — 1500 м. Японская зенитная артиллерия вела огонь по бомбардировщикам, но без особого успеха. Единственный случай, когда ТБ-3 получил существенное повреждение — у самолета капитана Л.Варочкина над линией фронта вывели из строя мотор. Тем не менее, он добрался до цели на трех двигателях, отбомбился и вернулся на аэродром.
В целом, до 15 сентября, когда японская группировка капитулировала, списали всего один ТБ-3, да и тот после аварии. Во время операции на Халхин-голе эти самолеты впервые действовали как ночные бомбардировщики. Оценка их эффективности может быть различной. С одной стороны, они выполнили свою задачу — постоянно беспокоили врага, изматывая его войска, не давая им спать. В отчете ВВС 1-й армейской группы (в которую развернули 57-й корпус) указано: «Опыт применения во втором этапе ночной тяжелой авиации оказался успешным при отсутствии у противника ночной истребительной авиации и прожекторов. Её действия наносили противнику как моральный, так и материальный ущерб».
В отношении второго вопрос спорный. Поиск рассредоточенных целей у фронта и в ближних тылах, а также их поражение в ночных условиях оказались достаточно сложны. «Результаты ночных бомбардировок незначительны..», отмечалось в трофейном документе штаба 23-й пехотной дивизии японцев. Однако в другом документе этого же соединения можно прочитать, что «по причине регулярных ночных бомбардировок, приходится выключать все источники света. В результате, колонны снабжения, выдвигающиеся с наступлением темноты в сторону наших позиций часто сбиваются с пути и блуждают в степи. Неоднократно подразделения и штабы (это слово в японском документе было подчеркнуто. — Прим. авт.) в течение нескольких суток не получали горячей пищи… Имеют место перебои с доставкой боеприпасов…». В целом опыт ночного применения ТБ-3 был признан достаточно успешным.
Только-только закончились бои в Монголии, как ТБ-3 вновь оказались на передовой. 17 сентября 1939 г. Красная армия перешла границу Польши. Для этой операции собрали большие силы авиации. В приграничных Белорусском и Киевском военных округах насчитывалось 157 ТБ-3, но техника была порядком изношена, и боеспособной являлась примерно половина от этого количества самолетов. На Белорусском фронте в 3-м ТБАП из 75 машин исправны были только 38. Интересно, что самолеты более поздних выпусков с М-34 и М-34Р по проценту боеготовых даже уступали старым бомбардировщикам с М-17. Две трети первых в Киевском округе были прикованы к земле.
В этой операции на ТБ-3 возлагались исключительно транспортные функции. Сначала их использовали для переброски наземного состава передислоцируемых к фронту авиаполков. Когда войска перешли границу, выяснилось, что противника перед ними нет. На польской стороне находились разрозненные воинские части, в большинстве своем уже потрепанные немцами и отведенные в тыл на доукомплектование. Они были плохо вооружены и практически полностью лишены прикрытия с воздуха. Многие из них организованно сдавались в плен с имеющейся техникой. Лишь наиболее стойкие пытались прорваться к румынской или венгерской границам, да и то, стараясь уклониться от боев с советскими войсками. Темпы продвижения Красной армии намного превышали запланированные. Передовые отряды далеко оторвались от баз снабжения. Перелетевшие на захваченные аэродромы авиаполки остались без горючего и боеприпасов. Вот тут и пригодились ТБ-3.
Так, для конно-механизированной группы им. Дзержинского, двигавшейся на Гродно, самолеты 3-го ТБАП в течение четырех дней, с 20 по 24 сентября, сбросили на парашютах или доставили посадочным способом 100 т горючего. Сам штаб ВВС Белорусского фронта после перебазирования в Волковыск 18 суток кормился продуктами, сброшенными на парашютах. На Украинском фронте подобными же перевозками занимался 14-й ТБАП. Он доставлял людей, боеприпасы, продовольствие. Особых проблем не было, но в целом ситуация в Польше стабилизировалась к середине октября.
Уже в через неделю закончившие польскую кампанию части ВВС начали перебрасывать в Ленинградский военный округ. Основная масса имевшихся в нем ТБ-3 была сосредоточена в 7-й ТБАП, но, в рамках подготовки к планировавшейся аннексии части Финляндии, на аэродромы округа начали передислокацию и других полков. К концу ноября 39-го стало очевидно, что финны — это не «снулые» поляки, и за свою землю они будут воевать по-настоящему. 30 ноября отношения между Финляндией и СССР были разорваны. С этого момента началось стремительное сосредоточение боевой мощи РККА в зоне ответственности Ленинградского округа.
Гораздо медленнее резервы поступали в состав ВВС 9-й армии, развёрнутой в Заполярье. Так, например, туда была направлена 2-я эскадрилья 3-го ТБАП. Первые пять её ТБ-3 перелетели из Боровского (под Калинином) на ледовый аэродром Чикша в Карелии только 9 января 1940 г. затем прибыли ещё три машины. В действующую на этом же направлении «авиагруппу Спирина» (ей командовал комбриг Спирин) вошли шесть ТБ- 3 из состава 1 — го ТБАП. Перегнали их из Ростова-на Дону лишь 1 марта, а спустя менее чем две недели война закончилась.
Поначалу четырёхмоторные самолёты вылетали на бомбёжку днём, под прикрытием поликарповских истребителей-бипланов И- 15 и И-15бис. Бомбили населённые пункты, железнодорожные станции и заводы. Однако в районы, где отмечалась активная деятельность финских истребителей, их старались в дневное время не пускать. С учётом того, что в составе ВВС действующей армии имелось значительное количество бомбардировочных авиаполков, оснащённых вполне современными СБ и ДБ-3, в документах штаба ВВС 9-й армии отмечалось: «Применение самолётов ТБ-3 в качестве боевой авиации из-за больших габаритов и малой скорости нецелесообразно, а применение днём совершенно недопустимо.».
Финские солдаты осматривают совершивший вынужденную посадку ТБ-3.
В левой консоли видна рваная пробоина от зенитного снаряда.
Однако ударные возможности СБ и ДБ-3 всё же не шли в сравнение с четырёхмоторными машинами и потому ТБ-3 летали днём на бомбёжки почти до самого конца войны.
В частности, их применяли в период прорыва «линии Маннергейма». Небольшая скорость и возможность подвески крупнокалиберных бомб массой по 250, 500 и 1000 кг, позволяли им довольно эффективно обрабатывать фортификационные укрепления противника. Хотя прямых попаданий в ДОТы было зафиксировано считанное количество, но частые близкие разрывы тяжёлых «фуга-сок» довольно быстро снижали боевой дух оборонявшихся. Поскольку летать приходилось недалеко, то отдельные опытные экипажи предпочитали взять больше бомб за счёт горючего. Как ночные бомбардировщики четырёхмоторные гиганты использовались до конца боевых действий, летая куда угодно, поскольку ночных истребителей у финнов не было совсем, а зенитных орудий и прожекторов остро не хватало.
В числе ночников действовал и экипаж опытнейшего полярного лётчика Героя Советского Союза комбрига М.В.Водопьянова, лично обратившегося к Сталину с просьбой направить его вместе с самолётом и экипажем на фронт: «Моя машина имеет скорость 280 км/ч и может поднять до 5 тонн бомб…», писал он в докладной записке на имя вождя. Надо сказать, что ТБ-3, применявшиеся в Полярной Авиации, были не чета строевым машинам. Закрытые пилотские кабины типа «лимузин» с отопителями, более мощные и высотные моторы М-34ФРНВ, существенно более богатое приборное оборудование, включавшее даже такую роскошь как радиополукомпас, более совершенные радиостанции, о более ёмких бензобаках можно и не упоминать. Просьба была удовлетворена в кратчайший срок, и вскоре полярный АНТ-6А вошёл в состав ночной авиагруппы ВВС 8-й Армии, оснащённой исключительно СБ.
В сравнении со скоростными двухмоторниками тяжеловоз Водопьянова смотрелся куда более внушительно. При примерно одинаковой дальности полёта «оранжевая корова», как прозвали на аэродроме базирования АНТ-6А за характерную арктическую окраску (перекрашивать в защитный цвет огромный самолёт на морозе никому и в голову не приходило), поднимала за раз восемь 250-кг фугасок и 26 «соток»(Н), что было предельной нагрузкой для ТБ-3 и в четыре раза превосходило максимальную нагрузку СБ и почти в двое ильюшинского ДБ-3. Правда, по словам М.В.Водопьянова, «бомбы на наружной подвеске и пулемётные турели съели примерно 30 км/ч, и больше 250 км/ч в боевой конфигурации наша машина уже не выжимала. Бомбовая нагрузка снизила потолок и потому после взлёта, пока не вырабатывалась часть горючего, выше 1800 м мы не забирались. Правда, этого мы от неё и не требовали, поскольку зенитные орудия финнов били на 8000 м, зенитные пулемёты на 1500 (видимо, имеются ввиду 20-мм зенитные автоматы «Эрликон». — Прим. Ред.). В конце концов, нельзя же требовать от боевых вылетов полной безопасности.».