Почти одновременно с проектированием разведчика конструкторский коллектив ЦАГИ начал разрабатывать двухмоторный цельнометаллический самолёт большой грузоподъемности. Проектирование и постройку этой машины, как и АНТ-3, возглавил А. Н. Туполев. Осенью 1925 года опытный самолёт был собран на Центральном аэродроме и лётчик А. И. Томашевский выполнил на нём первый семиминутный полёт.

В самолёте, получившем название ТБ-1 (АНТ-4), удалось впервые с максимальной полнотой объединить все признаки бомбардировщика-моноплана. Авиационные специалисты были восхищены прекрасными формами и законченностью конструкции нового самолёта. Он стал прототипом всех бомбардировщиков свободнонесущей монопланной схемы. Многие зарубежные конструкторы копировали схему АНТ-4.

Самолёты ТБ-1 (АНТ-4) обладали высокими для своего времени лётными данными. С двигателями М-17 в 500/680 л.с. их скорость у земли колебалась в зависимости от установленных двигателей н вооружения, а в связи с этим и взлётного веса (6200— 7928 кг) — от 184 до 207 км/час. Превосходные лётные и эксплуатационные качества АНТ-4 продемонстрировал экипаж лётчика С. А. Шестакова, который на серийном экземпляре самолёта «Страна Советов» за 137 лётных часов (с 23 августа по 30 октября 1929 года) пролетел по маршруту Москва — Омск — Хабаровск — Петропавловск-на-Камчатке — остров Атту — Сиэтлл — Сан-Францнско — Нью-Йорк общим протяжением 21 242 км. Значительную часть пути, почти 8 тыс. км, полёт проходил над водой. Смена колесного шасси на поплавковое была выполнена в Хабаровске в предельно короткий срок.

Серийная постройка самолёта АНТ-4 началась во второй половине 1928 года. Одновременно продолжались его испытания с различными вариантами оборудования и загрузки. С полным стрелковым вооружением — 6 пулемётами, тонной бомб и экипажем из 6 человек самолёт развивал скорость 184 км/час, набирал высоту 4900 м.

В «послужном списке» АНТ-4 — участие в знаменитой эпопее спасения челюскинцев. На этом самолёте А. В. Ляпидевский 5 марта 1934 года вывез из ледового лагеря первую группу членов экспедиции.

Снятые с вооружения бомбардировщики ТБ-1 передавались в Гражданский воздушный флот и эксплуатировались там ещё ряд лет. На этих машинах, получивших марку Г-1, перевозились главным образом грузы для народного хозяйства.

Моноплан АНТ-4 долгое время оставался лучшим в мире самолётом своего класса. После успешного перелёта по маршруту Москва — Нью-Йорк, когда для участка Петропавловск-Камчатский — Сиэттл колесное шасси заменялось поплавковым, было решено построить морской вариант машины. С помощью научных работников ЦАГИ конструкторы разработали цельнометаллические поплавки. Мореходность и устойчивость самолёта на рулении были хорошими, посадка — лёгкой. Незначительно изменились и лётно-технические данные. На испытаниях морской вариант бомбардировщика, получивший название ТБ-1П (поплавковый), показал скорость 180 км/час, потолок — 3600 м.

Авиазаводы выпустили 218 самолётов ТБ-1, в том числе 66 типа ТБ-1П.

Посте создания первых одномоторных цельнометаллических самолетов АНТ-2 и АНТ-3 коллектив конструкторов, возглавляемый А. Н. Туполевым, приступил начиная с 1924 года к проектированию двухмоторного цельнометаллического самолета-бомбардировщика АНТ-4 с двумя двигателями водяного охлаждения НЭПИР по 450 л. с. каждый. В конце 1925 года была закончена постройка этого самолета, и летчик А. И. Томашевский осуществил на нем первый полет. В 1926 году АНТ-4 успешно прошел летные испытания.

Во второй половине 1929 года был построен второй экземпляр этого самолета АНТ-4бис с отечественными двигателями водяного охлаждения— М-17 по 600 л. с. каждый. В октябре были закончены его летные испытания, и он был запущен в серийное производство. Конструкторы очень удачно выбрали для двухмоторного самолета схему свободнонесущего моноплана с низким расположением крыла относительно фюзеляжа. Эта схема обеспечивала минимум лобового сопротивления воздуха, хороший обзор экипажу и рациональную компоновку винтомоторной группы. Надо сказать, что в конце двадцатых годов почти все зарубежные бомбардировщики были бипланами. По сравнению с этими самолетами с целым лесом стоек и расчалок моноплан АНТ-4 выглядел весьма прогрессивным образцом аппарата, представляющим новый этап в развитии авиации. Основной материал, принятый для этого самолета, был дюралюминий, вначале кольчугалюминий.

Начиная с 1929 года этот самолет стал поступать на вооружение нашей Красной Армии под названием ТБ-1 («Тяжелый бомбардировщик первый»). Строился он серийно с 1928 года по 1932 год. Кроме бомбардировщика ТБ-1, существовал еще и транспортный вариант этого самолета как на колесах, так и на поплавках. На одном из самолетов АНТ-4бис, названном «Страна Советов», в 1929 году был совершен большой перелет по маршруту Москва — Нью-Йорк. Перелет этот протяженностью 21 242 км продолжался с 23 августа по 2 ноября, был выполнен экипажем в составе С. А. Шестакова (первый летчик), Ф. Е. Болотова, Б. В. Стерлигова и Д. Б. Фуфаева и занял 142 летных часа. Во время этого перелета 8000 км были пройдены над морем, при этом самолет ставился на поплавки. После этого перелета передовая самолетостроительная фирма США «БОИНГ», а затем и другие самолетостроители во всем мире стали строить двухмоторные самолеты по схеме АНТ-4бис. Эта схема, как известно, по настоящее время остается самой распространенной в авиации. В марте 1934 года на самолете АНТ-4бис А. В. Ляпидевский первым осуществил посадку на лед в районе, где находился лагерь команды парохода «Челюскин».

В 1929 году на самолете ТБ-1 был впервые в мире успешно проведен эксперимент по отцепке от самолета-матки в полете двух самолетов-истребителей. Этот эксперимент был спроектирован инженером В. С. Вахмистровым и назывался «самолет-звено». Основные испытания в полете «самолета-звена» на самолете ТБ-1 в 1929 году провел выдающийся летчик нашей Родины В. П. Чкалов.

В первый год Великой Отечественной войны подобная, но несколько усовершенствованная система была с большим успехом использована при внезапной бомбардировке железнодорожного моста около города Черноводы в Румынии. Два истребителя И-16 были подвешены под крыло четырехмоторного самолета-бомбардировщика ТБ-3. Он их доставил со стороны Одессы до румынского берега, заправил горючим, а затем после выполнения боевой операции истребители сами вернулись на свой аэродром.

Основные данные серийного самолета следующие: размах крыла — 28,7 м; длина — 18 м; площадь крыла — 120 м2; вес пустого самолета — 4520 кг; полетный вес — 6810 кг; максимальная скорость — 178 км/час; вертикальная скорость — 2,6 м/сек; потолок — 4830 м.

Крыло многолонжеронное с работающей гофрированной обшивкой. Характерной особенностью крыла АНТ-4 является толстый его профиль — 17% в центре.

Окраска самолета АНТ-4 серебряная. На фюзеляже и на крыльях сверху и снизу — черная надпись: «URSS-300». Кроме того, на носовой части снизу с обоих бортов рукописная надпись: «Страна Советов». На военном варианте самолета букв не было — на вертикальном оперении и на крыле с обеих сторон нарисованы были красные звезды. Пневматики, стойки шасси чёрные.