Результатом этих обсуждений в начале ноября 1929-го УВВС заказало ЦАГИ тяжелый бомбардировщик ТБ-4 (АНТ-16).
В марте 1930-го УВВС утвердило требования на новый бомбовоз под двигатели М-35, суммарной мощностью в 5000 л.с. Эта машина, по мнению военных, должна была иметь максимальную общую нагрузку порядка 18000 кг. из которых боевая загруженность составляла бы до 10000 кг, дальность -2000 км, скорость на номинальном режиме работы двигателей - 200 км/ч, практический потолок - 5000 м, посадочную скорость -100 км/ч, разбег -250 м, пробеге использованием тормозов -100 м (без тормозов - 300 м).
В апреле 1930-го Совет Труда и Обороны СССР утвердил план опытного самолетостроения, где фигурировали работы по созданию ТБ-4 (АНТ-16).
Реально работы по опытной машине вместо планируемого года заняли более двух лет, в мае 1930-го началось эскизное проектирование. Только в декабре 1932-го получили требуемые двигатели, а в феврале 1933-го начали вывозить агрегаты машины на аэродром. К апрелю 1933-го АНТ-16, в основном, собрала, начались доводки и мелкие монтажные работы. В июле - летные испытания.
Общее руководство по проекту осуществлял АН Туполев, А Архангельский возглавил проектирование фюзеляжа, В Петляков - крыла. Н.Некрасов - оперения, Н Петров - шасси. И.По-госский и Е.Погосский - силовой установки. И.Толстых - вооружения. Большие емкие бомбоотсеки проектировали К.Свешников и В.Мясищев.
В октябре 1930-го в ЦАГИ закончили предварительный аэродинамический расчет по АНТ-16 с двигателями М-35 (проект моноблочного двигателя набазеМ-34).
Камнем преткновения для проекта долгое время был выбор типа и числа двигателей. Поскольку на начало 1930-х появление двигателей М-35 было проблематично, (этот мотор стал реальностью лишь к началу 1940-х), поэтому остановились на шести двигателях меньшей мощности (четыре -на крыле и два - в спарке над фюзеляжем).
Правда, от четверки моторов отказались не сразу. Пытались купить двигатели итальянской фирмы "Изотта-Фраскини", затем из-за отказа итальянцев перешли к расчетам под шесть М-34 с редуктором и без редуктора, под проектные двигатели М-27 с редуктором, под двигатели фирм "Роллс-Ройс" и БМВ. В зависимости от двигателей АНТ-16 должен был иметь нормальную полетную массу - от 27000 кг до 31000 кг (перегрузочный вариант 32000 - 37000 кг), максимальную скорость на аысоте 6000 м - 242 км/ч, крейсерскую скорость - 200-210 км/ч.
В январе 1931-го УВВС и ЦАГИ согласовали состав оборонительного вооружения с учетом экипажа в двенадцать человек: две артиллерийские установки под 20-мм пушки, пять стрелковых установок под спаренные пулеметы ПВ-1. В бомбардировочное вооружение входили бомбодержатели и бомбосбрасыватели новой конструкции, обеспечивающие размещение сорока 250-кгбомб или двадцати 500-кг бомб внутри фюзеляжа, одной 1000-кг или 2000-кг бомбы под фюзеляжем.
В декабре 1931-го УВВС сообщил ЦАГИ новые более подробные требования к самолету, предусматривавшие замену четырех двигателей М-35 шестью М-34 и сохранение основных летных характеристик самолета.
Как отмечалось выше, по своей аэродинамической схеме, компоновочным решениям и конструкции новый тяжелый бомбардировщик являлся дальнейшим развитием ТБ-3, имел с ним много общего и отличался от него значительно большими геометрическими размерами и увеличенной мощностью силовой установки. При этом основные удельные параметры, характеризующие самолет, остались практически на том же уровне, что и у ТБ-3. Удельные нагрузки на площадь крыла для ТБ-4 составляла 63.3 кг/мг, а на мощность силовой установки - 8,6 кгс/л.с. (для ТБ-3 - 78,3 кг/м2 и 7,4 кг/ л.с. соответственно).
Крыло ТБ-4 состояло из центроплана и двух отъемных частей. В отличие от АНТ-6 число лонжеронов в силовом наборе крыла сократилось до трех. Раскосы лонжеронов - клепаные из листового материала. Фюзеляж технологически делился на носовую с отъемным носком, хвостовую и среднюю части. По сравнению с АНТ-6, увеличился шаг волны гофра обшивки до 50 мм.
Особенность конструкции фюзеляжа - наличие двух больших бомбоотсеков длиною по 5 м и шириною около 2 м, расположенных за центропланом крыла. Такие крупные грузоотсеки в фюзеляже применили впервые в мировой практике самолетостроения.
Хвостовое оперение - аналогично АНТ-6. Киль и стабилизатор связывались между собой расчалками. Стабилизатор с регулируемым в полете с помощью электромотора углом установки. Рули высоты и поворота имели роговую компенсацию. Управление самолетом - жесткое, за исключением элеронов.
Колеса шасси диаметром 2 м устанавливались попарно на общей оси, а не тандемом, как на АНТ-6. и снабжались масляной амортизацией и тормозами. В хвостовой части фюзеляжа имелось пневматическое самоориентирующееся колесо. Предусматривалась установка на колеса обтекателей - штанов.
Силовая установка - шесть двигателей М-34 максимальной мощностью по 830 л.с. (номинальная - 750 л.с). Четыре двигателя - в носке крыла, а два - в тандемной установке на сварной раме над фюзеляжем.
Бензин размещался в шести баках в отъемных частях крыла и в двух центропланных. Стенки крайних баков одновременно являлись обшивкой крыла. Общая емкость топливной системы - 8500 л. Общая емкость масляной системы - 2000 л.