В 1942 році ТБ-3 здебільшого виконували транспортні місії, але деколи залучались і до бомбардувань. В липні вони брали участь в нальоті на залізничний вузол в Брянську, де була скинута 2000 кг бомба — найбільша бомба, яка використовувалась на ТБ-3. В битві за Сталінград ТБ-3 бомбардували переправи через Дон, але до кінця 1943 року ТБ-3 вже повністю переключились на транспортні задачі. Не зважаючи на застарілість, 10 травня 1945 року, в строю ще було 39 ТБ-3, які були врешті-решт зняті з озброєння на початку 1946 року.