В июле 1938 года состоялся первый полет самолета-дублера, конструкция которого была несколько изменена. В акте полетных испытаний ТБ-7 отмечалось, что во время полета на высоте 10–11 тысяч метров самолет малоуязвим для истребителей противника. Высокая маневренность машины на высотах до 10 тысяч метров обеспечивала прицельное бомбометание и малую уязвимость машины от огня зенитной артиллерии. По результатам испытаний НИИ ВВС принял решение немедленно начать массовый серийный выпуск ТБ-7.

Производство двух первых опытных самолетов велось в Москве на заводе опытных конструкций, для серийного производства был определен завод в Казани. Несмотря на положительное решение комиссии по итогам испытания самолета, действительно массовое его производство так и не было организовано. Во многом это было связано с тем, что в то время не было полной ясности в вопросе, насколько необходим армии тяжелый бомбардировщик. Еще одним осложняющим условием являлся тот факт, что на изготовление самолета шло много дефицитного дюралюминия. Таким образом, самолет производился несколькими мелкими сериями.

Размеры и конструкция самолета не менялись за время его существования. Размах крыла составлял 39,01 метра, площадь — 188,68 м2, длина самолета — 23,59 метра.

Сверху центроплана находились кабины экипажа, снизу — бомбовый отсек. Под центропланом самолета также оборудовались наружные бомбодержатели. В носовой части фюзеляжа устанавливалась вращаемая пулеметная башня. Также за двумя центральными мотогондолами, в корме и в фюзеляже располагались установки оборонительного вооружения. В кабине места летчиков расположены одно за другим и закрыты продолговатым фонарем, немного сдвинутым к левому борту.

В качестве силовой установки на большинстве самолетов использовались четыре V-образных 12-цилиндровых карбюраторных двигателя жидкостного охлаждения АМ-35А по 1200 л. с. каждый.

По первоначальному замыслу должно было быть пять двигателей: пятый, размещенный внутри фюзеляжа, приводил в действие компрессор, нагнетавший воздух в двигатели маршевой группы, повышая таким образом высотность самолета.

Имели место попытки применения дизельных авиадвигателей М-40 конструкции А. Д. Чаромского. Однако дизели порой неожиданно останавливались из-за того, что подачу топлива летчик задавал вручную, сообразно оборотам двигателей. Это приводило к остановке турбокомпрессоров и двигателей, а запустить их можно было только на высоте менее 1500 метров.

С бомбовой нагрузкой в две тонны, при полной заправке топливом, максимальная дальность полета Пе-8 с лучшими из стоявших на этой машине двигателями М-82 составляла 5800 километров. Максимальный взлетный вес машины достигал 35 тонн.

В отдельных случаях дальность полета могла быть существенно повышена. К примеру, для организации перелета Молотова в Англию и США в 1942 году на самолете были установлены дополнительные баки и кислородные баллоны, для повышения веса топлива часть оборонительного вооружения сняли.

Максимальная бомбовая нагрузка Пе-8 составляла четыре тонны, однако даже в перегруженном состоянии самолет не терял своих основных показателей. Это позволило в 1943 году разработать специально для этого бомбардировщика пятитонную бомбу ФАБ-5000. Эта бомба в бомбовый отсек полностью не помещалась, поэтому самолеты, снаряженные этой бомбой, летали с незакрытыми створками бомболюка.

Бомбардировщик имел несколько официальных названий: АНТ-42, ТБ-7, даже Не-2 (по фамилии И. Ф. Незваля, назначенного главным конструктором после ареста В. М. Петлякова, но это наименование сохранилось только в служебных документах), в 1942 году, после гибели В. М. Петлякова, бомбардировщику официально было присвоено наименование Пе-8.

В период Великой Отечественной войны Пе-8 применялись в основном для дальних рейдов в тыловые районы Германии, Польши, Венгрии, Румынии, Финляндии. Иногда, достаточно редко, Пе-8 наносили удары по целям в прифронтовой полосе.

19 мая 1942 года этот самолет перевез советскую делегацию во главе с В. М. Молотовым над оккупированными странами Европы на переговоры в Великобританию и в США.

За успешный перелет пилоту и обоим штурманам: Э. К. Пусэпу, А. П. Штепенко и С. М. Романову было присвоено звание Героев Советского Союза. Второй пилот В. М. Обухов, бортмеханики А. Золотарев и В. Дмитриев награждены орденами Ленина. Позднее В. М. Обухов за боевую работу был удостоен звания Героя Советского Союза.

Четырехмоторный Пе-8 для своего времени, как большинство других самолетов Туполева и его соратников, был в числе лучших образцов мировой авиации.

В 1936 году командование ВВС объявило редкий в те годы «конкурс на осуществленный в натуре моноплан-разведчик и ближний бомбардировщик под условным девизом „Иванов“». Над заданными самолету тактико-техническими характеристиками (ТТХ) трудились сразу три конструкторских бюро — И. Г. Немана, Н. Н. Поликарпова и А. Н. Туполева. Новый самолет должен был сменить имевшиеся на вооружении устаревшие штурмовики-разведчики бипланы Р-5 и Р-Зет.

Туполев с энтузиазмом взялся за проект: на основе полученного задания разработал общую концепцию самолета, вместе с Б. М. Кондорским прорисовал и выбрал общие виды и передал детальную разработку самолета в конструкторскую бригаду П. О. Сухого, прекрасно зарекомендовавшего себя как начальник бригады, отвечавшей за проектирование АНТ-25.

Су-2 оказался неважной боевой машиной, хотя кому-то эта оценка покажется чрезмерно резкой. Он нес значительно меньшую бомбовую нагрузку (до 600 килограммов против 1800), чем немецкий Ю-87, имел заметно более слабое стрелковое вооружение (три — шесть пулеметов ШКАС против пушек) и бронирование, не имел системы динамического торможения и соответствующей механизации крыла, что делало пикирующим знаменитый одномоторный «лаптежник». Ведь Ю-87, ведомый опытным летчиком, без «крайних мер», с высокой вероятностью мог поразить одиночный танк!

Причина появления «сырого» самолета была прежде всего в неподготовленности руководства ВВС и авиапрома СССР. Военные были не в состоянии выдать реальные, обусловленные предсказуемыми условиями надвигавшейся войны тактико-технические требования к самолету. Авиапромышленность не могла вовремя предоставить необходимый двигатель. Пожалуй, единственное, в чем Су-2 соответствовал современным требованиям, была просторная, обогреваемая, с хорошим обзором кабина.

Опытный экземпляр самолета под названием «Иванов» (АНТ-51) был построен в 1937 году. 25 августа 1937 года, как всегда в присутствии Туполева, стоявшего у взлетной полосы рядом с точкой отрыва, Михаил Громов впервые поднял самолет в воздух.

Это был цельнометаллический моноплан с двигателем М-62 мощностью 820 л. с. и двухлопастным воздушным винтом. Самолет показал скорость в 360 км/ч у земли и 403 км/ч на высоте 4700 метров. Эти данные были признаны недостаточными, но, учитывая, что он превосходил другие одномоторные разведчики, решено было испытать его повторно с более мощными двигателями и строить серийно.

В 1939 году самолет был модифицирован под более мощный двигатель М-87А с трехлопастным винтом ВИШ-23 и, после ареста Туполева, стал официально называться ББ-1 (ближний бомбардировщик). В варианте смешанной конструкции (фюзеляж — деревянный монокок) машину запустили в серийное производство. В процессе серийного выпуска на самолете (получившем в 1940 году обозначение Су-2) был установлен двигатель М-87А, а с 1941 года начали ставить двигатели М-88Б и М-82.