Оборонительное вооружение состояло из четырех пулеметов ШКАС, два из которых располагались в кабине штурмана и по одному – в верхней фюзеляжной Тур-9 и люковой установках.

После ТБ-3 это был серьезный скачок в области технологии самолетостроения.

Первым построили самолет с американскими моторами, и 7 октября 1934 года он, пилотируемый К.К. Поповым, поборол земное притяжение. После аварии 31 октября самолет восстановили лишь в феврале 1935 года. Однако достичь расчетных характеристик так и не удалось, его скорость не превышала 325 км/ч, что на 5 км/ч было меньше заданной, и конструкторы сосредоточили все усилия на доводке машины с французскими двигателями жидкостного охлаждения.

Второй опытный экземпляр СБ-2 с моторами «Испано-Сюиза», пилотируемый Н.С. Журовым, взлетел за день до нового, 1935 года. Самолет отличался от предшественника не только силовой установкой, но и крылом, площадь которого увеличили на 5,65 м^>2. Другим бросавшимся в глаза новшеством машины по сравнению с исходным вариантом были стреловидные консоли крыла, сделанные для обеспечения требуемого запаса продольной устойчивости.

Первые полеты второго, не полностью укомплектованного оборудованием и вооружением, варианта СБ, показавшего скорость 430 км/ч, вызвали бурю эмоций, и военные потребовали срочно передать машину в НИИ ВВС до окончания этапа заводских испытаний. Эта спешка едва не привела к трагическим последствиям. 3 марта 1935 года в полете на километраж на самолете, пилотировавшемся летчиком-испытателем К.П. Миндером, возникла сильная быстро нараставшая тряска. Лишь отменная реакция пилота, переведшего самолет в набор высоты, позволила избежать разрушения машины.

С появлением скоростных самолетов в 1930-е годы прокатилась волна таинственных авиационных катастроф. Очевидцы, не сговариваясь друг с другом, в один голос говорили: взрыв, слишком быстро, на глаз почти мгновенно все происходило. Но анализ обломков не подтверждал эту версию. Новому явлению в авиации специалисты дали название флаттер (от английского слова flutter, что в переводе означает «трепетать»).

Так второй раз (после МИ-3) авиаконструкторы столкнулись с самовозбуждающимися вибрациями, правда, на этот раз с изгибно-крутильным флаттером крыла.

Разобраться с этим явлением в КБ не сумели и обратились за помощью в ЦАГИ. Рецепт же «лечения» столь тяжелого недуга оказался прост: увеличить весовую компенсацию элеронов.

Доработки выполнили быстро и продолжили испытания. Как нередко бывало на испытаниях, максимальная скорость заметно потяжелевшего самолета снизилась и не превышала 404 км/ч на высоте 5000 метров. Тем не менее лучшего фронтового бомбардировщика не предвиделось, и АНТ-40 запустили в серийное производство.

На серийных машинах, выпуск которых осваивали в 1936 году на заводе № 22 в Филях, французские «Испано-Сюиза» заменили их лицензионным вариантом М-100 и еще раз увеличили площадь крыла при прежнем размахе. Похоже, что радость от столь большого успеха переполняла не только умы конструкторов, но и политиков, потребовавших от авиапрома сдать к очередной, 19-й годовщине Великой Октябрьской революции первые серийные машины для участия в параде на Красной площади столицы. Для этого на завод перевели всю пятую бригаду во главе с А.А. Архангельским, создав новое КБ. Но главная тяжесть выполнения этого задания все же легла на плечи заводских технологов, поскольку пришлось переходить с гофрированной обшивки, свойственной ТБ-3, на гладкую, да еще с потайной клепкой.

С заданием заводчане справились, но построенные ими машины больше были демонстрационными, чем боевыми, поскольку их предстояло оснастить оборонительным и наступательным вооружением, а также выполнить ряд доработок. В итоге СБ потерял почти 20 км/ч скорости. Кроме этого, летчики отмечали плохой обзор в стороны из кабины пилота и малые сектора обстрела из стрелковых установок.