Еще осенью 1931 г. задумывали заменить М-17 на полностью отечественные двигатели М-34 (635/630 л. с. ) конструкции Л. А. Микулина Рассчитывали, что это поднимет и скорость, и практический потолок самолета. Новыми моторами и январе 1933 г. оснастили бомбардировщик №2221. Заводские испытания начались 8 марта, а 29 мая эта машина потерпел аварию на взлете. Реальный прирост скорости, определенный на испытаниях, оказался невелик • около 10 км/ч. Затем М-34 установили еще на три самолета. Два из них (№22203 и №22204) 27 сентября передали на государственные испытания. В НИИ ВВС определили. что по сравнению с машинами с М-17 скороподъемность улучшилась незначительно, а максимальная скорость деже снизилась. В итоге пришли к выводу, что для тихоходного ТБ-3 будут более выгодны редукторные М-34Р. позволявшие поднять к.п.д. винта при малых скоростях полета.
А тем временем М-34 все-таки внедрили на бомбардировщиках завода №22. поскольку это давало некоторое улучшение взлетных характеристик и позволило освоить новую мотоустановку, двигатели получили новые, более обтекаемые, капоты и новые радиаторы, перемещенные назад, под крыло. Ужо в ходе серийного производства с машины №22252 ввели "люльку" – выступ под носовой честью. Это позволило удобнее разместить штурмана при бомбометании. Одновременно появились дополнительные окна по бокам штурманской кабины. Моторы М-34 оценивались как временные и впоследствии уже в строевых частях заменялись М-34Р,
В сентябре 1933 г. на ТБ-3 №22202 поставили двигатели М-34Р (750/830л. с. ) с новыми винтами диаметром 4, 4 м. Не ограничившись этим, полностью изменили хвостовую часть. В фюзеляже появилась дополнительная секция Ф-4. где разместили кормовую турель Тур-6 с парой пулеметов ДА Первоначально она была изолированной от остальной части фюзеляжа, но вскоре ширину секции Ф-3 несколько увеличили и сделали в ней сквозной проход, разнеся по бортам тросы управления. Руль поворота подняли. изменив его контуры, а частности сделали вырез над турелью. Его площадь выросла на 0. 404 м? . Увеличили и площадь рулей высоты, одновременно подрезав их у фюзеляжа. Усилили килевую колонку. Резиновые амортизаторы шасси заменили масляно-воздушными. Задние колеса основных тележек получили гидравлические колодочные тормоза, позволившие примерно на четверть сократить дистанцию пробега. Кроме того. улучшилась и маневренность на земле, поскольку правую и левую тележки можно было притормаживать раздельно.

Верхние турели Тур-5 со спаренными пулеметами ДА
Хвостовая стрелковая установка серийного ТБ-ЗРН
Подкрыльевая стрелковая установка
С 27 сентября по б октября 1933 г. опытный самолет проходил заводские испытания, а с 19 октября – государственные. Они показали, что летные характеристики резко улучшились, несмотря на прирост взлетной массы. Вариант с М-34Р приняли к серийной постройке как эталон на 1934 г. Согласно постановлению Реввоенсовета, с 1 января 1934 г. приемку самолетов с М-17 и М-34 следовало прекратить. На самом доле их еще некоторое время продолжали строить. В конце сентября первый ТБ-3 выпустил завод №18 в Воронеже. Предприятие было еще недостроено. Машину собирали прямо на краю аэродрома, а выкатывали вручную – не нашлось тягача.
Серийные ТБ-3 с М-34Р (первым был самолет №22451) имели целый ряд отличий от опытной машины: костыль заменили хвостовым колесом, заполненным пенорезиной (гусматиком), ликвидировали входную дверь на правом борту (теперь экипаж пользовался входным люком снизу в носовой части), сняли коки винтов, ввели триммер на руле поворота, поело чего компенсирующий механизм стал ужо не нужен, сняли первую верхнюю турель Тур-5, на центроплане появились люки со ступеньками для вылезания на крыло, ведущими из довольно просторного тон- ноля, по которому механики в полете могли подобраться к моторам (на Дальнем Востоке был случай, когда механик, удерживаемый инженером, закрепил капот прямо в полете). Существенно модифицировали оборудование самолета: поставили авиагоризонт, фотоаппарат "Потто 16" заменили на АФА-15, установили линию электропневмопочты системы Агафонова между штурманом и радистом. Электрогенераторы сперва сместили к левому борту, а позднее предусмотрели их уборку о фюзеляж. Внедрили калориферную систему отопления кабин от выхлопных газов двигателей, причем из-за доводки этого устройства дважды меняли форму выхлопных коллекторов. Старые бомбодержатели заменили на Дер-19 (позднее Дер-19СП). Дер-20 и Дор-21, внедрили электробомбосбрасыватель ЭСБР-2.