Коллектив, руководимый А.Н. Туполевым, имевший солидный задел в виде цельнометаллического бомбардировщика ТБ-1 и многоцелевого самолета Р-6, приступил к проектированию воздушных кораблей с полетными массами 20, 30 и 40 тонн. Первым в ряду сверхтяжелых машин стал ТБ-3 (АНТ-6). Кстати, он тоже строился по заказу Бекаури и на средства Остехбюро, как «авиакрейсер особого назначения», способный нести мины, противолодочные бомбы, 20-дюймовые радиоуправляемые торпеды со спиральным ходом и транспортировать на внешней подвеске грузы общим весом не менее 2000 кг. Опытный экземпляр поднялся в воздух 22 декабря 1930 года. По результатам испытаний НИИ ВВС был сделан вывод: «Самолет… по своим летным данным вполне современный тяжелый бомбардировщик, стоящий на одном уровне с лучшими иностранными самолетами». АНТ-6 с моторами М-17 был рекомендован для серийной постройки, которая развернулась весной 1932 года на заводе №-22, а затем и на заводе №-39.
Бомбардировщик представлял собой увеличенный вариант ТБ-1, выполненный из гофрированного кольчугалюминия, с четырьмя двигателями, полетной массой 17 400 кг и размахом крыльев почти в 40 м. Максимальная скорость составляла 197 км/ч, практический потолок – 3800 м, радиус действия – 1350 км. В серии планер получился на 10–12 % тяжелее (соответственно – на 20 км/ч тихоходнее), расхождение в весе между отдельными машинами доходило до десятков, а порой и сотен килограммов: