В июне 1927 г. на испытания выходит первый серийный самолет-разведчик АНТ-3 (Р-3) с двигателем "Либерти". В следующем году завод переходит на серийный выпуск Р-3 с отечественным двигателем М-5 (Р-3 М-5). В том же году происходит передача серии на завод №22 в Филях.
С целью улучшения летно-тактичес-ких характеристик в серии двигатель М-5 заменяется на двигатель фирмы Лор-рен-Дитрих 12 ЕЬ, с максимальной мощностью 600 л.с. и номинальной - 450 л.с. В мае 1928 года доработанный самолет поступает на государственные испытания в НИИ ВВС. Вскоре модифицированный разведчик под обозначением Р-3 ЛД принимается к серийной постройке на заводе №22. Всего завод №22 до весны 1929 г. передает ВВС РККА 79 самолетов Р-3 ЛД. Всего до прекращения производства было построено 103 самолета типа АНТ-3 (Р-3), включая две опытных машины (по данным ВВС 113-115 самолетов). Серийный выпуск Р-3 закончился в 1929 г.
Помимо вышеперечисленных модификаций, в опытных экземплярах и в проектах существовали:
- в 1927 г. был подготовлен проект легкого бомбардировщика на базе Р-3. проект к постройке принят не был, однако в эксплуатации в ВВС РККА Р-3 выполняли функции легких бомбардировщиков;
- Р-3 с двигателем БМВ-Ш (500/700 л.с), самолет проходил испытания с 10 сентября 1928 г. по 11 апреля 1929 г., но в серию запущен не был;
- в 1930 г. был подготовлен проект бронированного штурмовика ШР-З, проект к постройке принят не был;
- в 1928 г. был подготовлен проект переоборудования Р-3. М-5 в гражданский вариант, предназначенный для перевозки почты, в следующем году первая "демобилизованная" машина под обозначением ПС-3 поступила в эксплуатацию в ГВФ, на начало 30-х годов было переоборудовано около 30 машин.
В ВВС РККА первые Р-3 начали поступать весной 1929 г., в части дислоцировавшиеся под Москвой, в Закавказье и Средней Азии. В октябре 1929 года в ВВС РККА эксплуатироволись 93 разведчика РЗ-ЛД и 19 Р-3 М5, к осени в боевых частях должно было быть в общей сложности 112 машин. Самолеты Р-3 М-5 и Р-3 ЛД активно использовались в первой половине 30-х годов в боевых действиях против басмаческих формирований, причем машина применялась как по основному назначению -разведчик, так и как легкий бомбардировщик-штурмовик. Последние Р-3 ЛД были заменены в частях ВВС на Р-5 в начале 1935 г. В гражданской авиации ПС-3 эксплуатировались до 1933 г.
На первых двух экземплярах АНТ-3 были выполнены дальние перелеты, подтвердившие высокую надежность конструкции первой серийной машины ту-полевского КБ:
