-3佔了苏联轰炸机部队的25%。但TB-3很适合作为夜间轰炸机，低航速使得命中精度高；机队中积累了大批精英空勤人员，一夜可执行三趟出击任务。TB-3几乎参加了一直到1943年苏联所有主要的战斗，包括第一次斯摩稜斯克战役、莫斯科战役、史达林格勒战役、列宁格勒围城战和库尔斯克会战。1941年，苏联各种原因损失了超过40架TB-3。1945年1月，第18航空军仍然拥有十架可运作的TB-3。TB-3广泛被使用在货物和伞兵运输，最多可携带35士兵。在战争前五个月，TB-3累计运送了2,797吨的物资和2,300名人员