После ремонта машины с 11 августа по 28 октября 1937 года состоялись совместные с НИИ ВВС государственные испытания. В состав экипажа входили П.М. Стефановский, второй пилот В.Е. Дацко и штурман А.М. Брянденский. Ведущим инженером назначили И.В. Маркова. В испытаниях также участвовали летчики М.А. Нюхтиков и Антохин, штурманы Черкасов, Никитин, Цветков и Соколов. Облетали самолет А.Б. Юмашев и Бабкин. Здесь и проявились его преимущества перед созданной ранее техникой. Первые же полеты показали, что самолет не только соответствует требованиям заказчика, но и несколько превосходит их.

Так, максимальная скорость с АЦН-2 достигала 403 км/ч на высоте 7900 метров, а без АЦН – 360 км/ч на высоте 3100 метров. В заключении отчета по их результатам отмечалось, что «большие максимальные скорости <…> ТБ-7 на высотах, близких к потолку современных истребителей, делают его малоуязвимым на высотах 7000–10 000 метров». Тогда же рекомендовалось, не дожидаясь окончания полных государственных испытаний, начать постройку опытной серии из пяти машин, но с заменой агрегата АЦН турбокомпрессорами, доработкой вооружения и устранением выявленных дефектов. Однако с турбокомпрессорами тогда ничего не вышло, и серийные ТБ-7, лишенные пятого мотора, значительно утратили свои первоначальные данные.

Осенью 1937 года вслед за Туполевым был арестован и В.М. Петляков. Все это свидетельствовало об охлаждении интереса руководства страны, и прежде всего Сталина, к новой машине. Похоже, что вождь вычеркнул тяжелый бомбардировщик из своих планов, сделав ставку на дальний бомбардировщик ДБ-3. Естественно, доводка машины затянулась. Тогда же был поставлен крест и на варианте ТБ-7 с гермокабинами, подобными тем, что предлагал В.Ф. Болховитинов в своем проекте «БДД» еще в 1935 году.

В январе 1938 года ТБ-7 снова поступил в НИИ ВВС, на этот раз на лыжном шасси. К этому времени на самолете уменьшили площадь вертикального и увеличили горизонтальное оперение. Были и другие изменения, способствовавшие улучшения устойчивости и управляемости машины. В целом летные характеристики машины при эксплуатации в зимних условиях снизились почти на 10%, тем не менее в отчете отмечалось, что «проведенные испытания <…> еще раз подтверждают необходимость немедленного внедрения самолета ТБ-7 4М34ФРН в серийную постройку в 1938 году.».

Дублер ТБ-7 на лыжном шасси

Наступившая весенняя распутица и неустойчивая погода заставили перенести испытания в Евпаторию. Объем их расширили, проведя длительные полеты на высотах до 10 000 метров. Взлетный вес постепенно довели до 30 тонн. Все полеты в период с 6 марта по 30 апреля выполнял прежний экипаж. Тогда же после регулировки механизма автоматической перестановки лопастей воздушных винтов удалось увеличить их тягу и, как следствие, довести максимальную скорость полета до 430 км/ч на высоте 8600 метров.

В заключении отчета по результатам государственных испытаний отмечалось: «Хороший взлет с полетным весом 30 000 кг обеспечивает дальность полетов на 3000 км с 2000 кг бомб на высотах 3500–5000 м без центрального наддува. Высокая маневренность самолета на высотах 8000–10 000 метров обеспечивает прицельное бомбометание с этих высот и хорошую защиту маневром от огня зенитной артиллерии. Все это делает самолет практически неуязвимым перед современными средствами нападения на высотах от 7000 до 10 000 м.

НИИ ВВС считает и настаивает на немедленном внедрении в массовую серийную постройку в 1938 году самолета ТБ-7 4М34ФРНБ и принятии его на вооружение ВВС РККА.