Разрабатывалось и несколько облегченных вариантов. По требованию командования ВВС ОКДВА(2*) проектировался вариант с М-17Ф с уменьшенным экипажем. более слабым вооружением, но той же максимальной бомбовой нагрузкой. По оценке, с 1000 кг бомб он должен был иметь радиус действия 1200 км против 955 км у серийных самолетов. Однако такой самолет не построили. Продолжением этой работы можно считать облегченную машину №22243 с моторами М-34Р, выпущенную в 1934 г. Она испытывалась, но в серию внесенные на ней изменения не внедрили.
Высотные характеристики ТБ-3 после исчерпания возможностей двигателей с приводными нагнетателями (РН, ФРН и ФРНВ) попытались поднять с помощью турбонаддува. На машине №22682 на каждом М-34ФРНВ установили по два турбонагнетателя ТК-1. Они отличались низкой надежностью, но когда все восемь установок работали, потолок и максимальная скорость на больших высотах существенно возрастали. На серийных ТБ-3 турбонаддув не применяли.
Дальность полета бомбардировщика пытались увеличить установкой дизелей, обладавших относительно небольшим расходом топлива. Вариант, именуемый в некоторых источниках ТБ-ЗД, с четырьмя двигателями АН-1 конструкции А. Д. Чаромского (по 750 л. с. ) должен был иметь дальность до 4280 км. Работы велись в 1935 г.. но летал ли этот самолет – неизвестно.
Радиус действия ТБ-3 пытались поднять и дозаправкой ого о воздухе. Эти работы осуществлялись под руководством А. К. Запанованного. В качестве танкера выступал Р-5. С него ручной лебедкой выпускался бронированный шланг, на конце которого висела "грузовая груша" • попросту увесистая гиря. Приемная горловина на ТБ-3 размещалась на фюзеляже перед турелями Тур-5. от нее шла разводка к крыльевым бакам. Бензин с танкера поступал самотеком Доработку Р-5 и ТБ-3 (с М-17) осуществлял завод №39. Государственные испытания велись в сентябре-ноябре 1933 г. "Грузовую грушу" ловили сразу два стрелка • один не мог удержать бьющийся на ветру шланг. 20 ноября экипаж летчика Иванова впервые успешно дозаправил свой ТБ-3.
Впоследствии бомбардировщик Туполева сам стал танкером. С него заправлялись в полете истребители и-5 и И-16. На ТБ-ЗР монтировался комплект АЗ-21 массой 59. 3 кг. на истребителе – АЗ-22 (приемная горловина и автоматический отсекающий клапан). Было переоборудовано два ТБ-ЗР. и 22 июля 1936 г. впервые перелили горючее из танкера в И-16. Дальнейшего продолжения эти работы в те годы не имели.
