Восстановление опытного экземпляра затянулось до 1 августа 1937 г. В первой декаде августа в Подлипки прибыла испытательная бригада НИИ ВВС во главе с летчиком-испытателем П.М. Стефановским. После кропотливого и придирчивого изучения самолета военные летчики перегнали его на базу в Щелково, причем этот небольшой по длительности перелет засчитали как контрольный облет после ремонта.
Государственные испытания АНТ-42 проходили с 11 августа по 28 октября 1937 г. При полетной массе 23860 кг получили максимальную скорость 403 км/ч на высоте 8 км (368 км/ч на 10 км). Дальность при взлетной массе 28000 кг (2 т бомб) определяли в 3000 км. На основании испытаний было сделано заключение: «Самолет по своим летно-тактическим данным является современным. Имеющаяся скорость 403 км/ч на Н=8000 м делает его мало уязвимым на этой высоте и выше современными истребителями». К недостаткам самолета отнесли недоведенность винтомоторной группы, отсутствие серийных двигателей АМ-34ФРНВ (при испытаниях использовались двигатели, не прошедшие до конца Госиспытания), тяжелое управление. Масса пустого самолета составила 18000 кг и считалась завышенной, огневая мощь оборонительных установок признавалась недостаточной и не соответствующей ТТТ ВВС.
В общем, недоработок хватало. Устранить их следовало до 10 декабря 1937 г. Сделать это оказалось совсем не просто, ибо к означенному сроку многие участники создания самолета были устранены от активной деятельности. Достаточно сказать, что были арестованы Туполев и Петляков, игравшие ведущую роль в судьбе АНТ-42. Главным конструктором самолета с этого момента и вплоть до 1945 г. стал Незваль. Первой задачей, которую ему удалось решить, было увеличение максимальной скорости бомбардировщика. Хотя полученные 403 км/ч в основном удовлетворяли заказчика, конструкторы понимали, что это далеко не предел, поэтому искали причины несоответствия полученных значений расчетным данным. Добиться увеличения полетной скорости АНТ-42 удалось весной 1938 г., причем при не совсем обычных обстоятельствах.
В конце зимы 1938 г. командование ВВС решило перенести летные испытания в Крым, на аэродром под Евпаторией – там погода была несравнимо лучше, чем в Москве. В ходе перелета на юг командир корабля Петр Стефановский обнаружил тряску крайнего, четвертого двигателя. Не прекратилась тряска и в последующих полетах. Последовало предположение, что лопасти воздушного винта изменяемого шага установлены недостаточно точно – это и вызывает тряску. Винт сняли и действительно обнаружили небольшое несоответствие углов установки лопастей, которое приводило к тряске всего двигателя. Регулировку проблемных лопастей произвели более тщательно, кроме того, по предложению инженера Центрального института авиамоторостроения (ЦИАМ) Рево доработали механизм изменения шага всех четырех винтов. В частности, увеличили массу противовесов на лопастях, что позволило устанавливать воздушные винты при изменении шага в крайние положения с более высокой точностью.
После всех произведенных усовершенствований самолет отправился в контрольный полет. Спустя 3 часа Стефановский приземлился, зарулил на стоянку и потребовал, чтобы Незваль ставил шампанское. Оказалось, что на высоте 8600 м самолет удалось разогнать до 430 км/ч. Максимальная высота полета составила 11000 м. О результатах немедленно сообщили начальнику НИИ ВВС А.И. Филину, который уже на следующий день прилетел в Евпаторию. Здесь он придирчиво осмотрел полученные данные испытаний и даже лично выполнил один контрольный полет, чтобы удостовериться в очевидном успехе. Возвратившись в Москву, Филин доложил о полученных результатах командованию ВВС.
Чуть позже подготовили отчет по результатам проведенных испытаний, в котором самолет фигурировал уже с военным обозначением как тяжелый бомбардировщик ТБ-7 АМ-34ФРНБ М100. В заключительном разделе этого документа значилось:
Заключение НИИ ВВС выглядело подчеркнуто пафосным и восторженным. Новый бомбовоз был действительно хорош, и его следовало поскорее запускать в серийное производство. Образцом для этого должен был стать строившийся на авиазаводе N° 156 второй опытный экземпляр, так называемый «дублер».
В апреле 1939 г. на первый опытный АНТ-42 установили в качестве АЦН более мощный двигатель М- 103. С ним надеялись получить и более высокие летные характеристики. После нескольких полетов машину подготовили к пролету над Красной площадью во время традиционного празднования 1 Мая, надеясь произвести эффект на руководителей государства, прежде всего, на Сталина. В праздничный день самолет с экипажем из 9 человек, пилотируемый летчиками НИИ ВВС Нюхтиковым и Кабановым, весьма внушительно проревел над трибуной Мавзолея. Но реакция советских лидеров оказалась сдержанной, и этот показ на судьбе бомбардировщика никак не отразился.
Первый опытный экземпляр некоторое время использовали для испытательных полетов. В 1940 г. его переоборудовали по предложению летчика Михаила Водопьянова для полетов в Арктике, однако до начала войны применить в таком качестве не смогли. Во время войны машина базировалась на аэродроме завода № 124 в Казани, где использовалась для обучения летчиков. В один несчастливый день экипаж забыл снять контрящую струбцину с рулей высоты, в результате самолет не смог оторваться от земли и врезался в железнодорожную насыпь…
Проектирование второго опытного АНТ-42 началось в апреле 1936 г. Его разработка и изготовление велись параллельно, с учетом летного опыта первой опытной машины, по сравнению с которой «дублер» получил значительные улучшения по части технологии и технического обслуживания. Заметным переделкам подвергся планер самолета: фюзеляж стал шире на 100 мм, выступавшая вниз кабина штурмана, известная как «борода», расширилась на 200 мм. Значительной перекомпоновке подвергли управление самолетом, приборы и спецоборудование. Хвостовое оперение стало свободнонесущим, в связи с чем изменили всю хвостовую часть фюзеляжа. На первой машине обшивка рулей и элеронов была из гофрированного дюраля, теперь она стала полотняной. Площадь горизонтального и вертикального оперений увеличили, а элеронов – уменьшили. Значительной ревизии подвергли системы охлаждения и топливопитания двигателей. Были установлены восемь дополнительных протектированных бензобаков и новые маслобаки измененной конструкции. Радикальные изменения коснулись оборонительных установок: в носовой и кормовой вместо 20-мм пушек ШВАК разместили спарки пулеметов ШКАС калибром 7,62 мм, а в верхней – наоборот, взамен ШКАСа установили ШВАК на турели ТАТ, нижнюю выдвижную упразднили вовсе, а шассийные оборудовали ШКАСами.
