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.
Еще в сентябре 1933 г. на ТБ-3 № 22202 поставили М-34Р из одной из пробных партий с новыми винтами диаметром 4,4 м. Но заменой двигателей далеко не ограничились. За счет установки редуктора вал винта сместился вверх, что привело к необходимости изменить капоты. На самолете полностью переделали хвостовую часть. В фюзеляже появилась дополнительная секция Ф-4, где разместили кормовую турель Тур-6 с парой пулеметов ДА и боезапасом в 12 дисков. Первоначально она была изолирована от остальной части фюзеляжа, но вскоре ширину секции Ф-3 несколько увеличили и сделали в ней сквозной проход, разнеся по бортам тросы управления. Руль направления подняли, изменив его контуры, в частности сделали вырез над турелью. Его площадь возросла на 0,404 м2. Увеличили и площадь рулей высоты, одновременно подрезав их у фюзеляжа. Усилили килевую колонку. Стрелковое вооружение, за исключением кормовой установки, полностью соответствовало поздним ТБ-3 с моторами М-34 — без подкрыльных башен, но с люковой установкой. Резиновые амортизаторы шасси заменили масляно-воздушными. Задние колеса основных тележек, теперь цельнолитые, получили гидравлические колодочные тормоза, позволившие примерно на четверть сократить дистанцию пробега. Кроме того, улучшилась и маневренность на земле, поскольку правую и левую тележки можно было притормаживать раздельно. Внедрения тормозов на серийных ТБ-3 УВВС требовало еще с марта 1933 г., и Главное управление авиационной промышленности (ГУАП) с этим соглашалось, но, как видим, не торопилось претворять в жизнь.
С 27 сентября по 6 октября 1933 г. опытный самолет проходил заводские испытания, а с 19 октября — государственные. В НИИ ВВС машина почему-то получила прозвище «Торгсин». Испытания показали, что летные характеристики резко улучшились, несмотря на прирост взлетного веса (на 1460 кг). Вариант с М-34Р приняли к серийной постройке как эталон на 1934 г., несмотря на то, что двигатели и винтомоторная группа в целом не соответствовали требованиям, предъявлявшимся по надежности.
Фактически же самолет-эталон, полностью аналогичный машинам первой серии, появился только в середине мая 1934 г. Задержка была связана с отсутствием ряда агрегатов новой мотоустановки, только осваивавшихся заводами-поставщиками, например водомасляных радиаторов. Затем последовали повторные заводские испытания, основной целью которых являлась отладка винтомоторной группы.
Серийные ТБ-3 с моторами М-34Р (первым являлся самолет № 22451) имели целый ряд отличий от опытной машины: костыль заменили хвостовым колесом, заполненным пенорезиной (гусматиком), ликвидировали входную дверь на правом борту (теперь экипаж пользовался входным люком снизу в носовой части), сняли коки винтов, ввели триммер на руле направления, после чего компенсирующий механизм стал уже не нужен, сняли первую верхнюю турель Тур-5, на центроплане появились люки со ступеньками для вылезания на крыло, ведущие из довольно просторного тоннеля, по которому механики могли подобраться к моторам. Раньше оба верхних стрелка размещались на откидных сиденьях. Теперь сиденье осталось одно, оно не складывалось и было меньше по размеру. Существенно модифицировали оборудование самолета: поставили авиагоризонт, фотоаппарат «Поттэ-1 Б» (созданный еще в Первую Мировую войну) заменили на более современный АФА-15, установили линию электропневматической почты системы Агафонова между штурманом и радистом. Электрогенераторы сперва сместили к левому борту, а позднее предусмотрели их уборку в фюзеляж. На левом среднем двигателе смонтировали еще один электрогенератор типа ДСФ-500. Теперь ток поступал в сеть не только в полете. Усовершенствовали систему отопления кабин от выхлопных газов двигателей, причем из-за доводки этого устройства дважды меняли форму выхлопных коллекторов.
