-3被使用在对日本的1938年8月6日哈桑湖战斗，43架轰炸了反复争夺的几个高地；1939年诺门罕战役，出动了500架次以上用于夜间轰炸，还大量用于军事空运。对芬兰的冬季战争中。虽然它在1939年被正式退役。然而，1941年6月22日，德苏战争开始时，苏联空军依旧拥有516架可运作的TB-3，另有25架属于苏联海军航空兵。由于驻扎地远离苏联西部边界，TB-3从首波德国空袭中避免了灾难性的损失，在这之后TB-3在该年6月23日起编入第三重型轰炸机团（TBAP）担任夜间轰炸。但由于前线对地支援飞机与战斗机大量损