Основные работы по постройке первого опытного АНТ-42 закончились 9 ноября 1936 г., после этого самолет по частям переправили на Центральный аэродром Москвы. Здесь, в цехе ОЭЛИД (отдел эксплуатации, летных испытаний и доводки), в течение месяца произвели его окончательную сборку. 23 декабря были получены двигатели АМ-34ФРН, которые в течение трех дней установили на места и провели пробные запуски. Утром 27 декабря 1936 г. шеф-пилот ЦАГИ Михаил Громов совершил на АНТ-42 первый полет, отметив нормальное функционирование всех систем и агрегатов, достаточную устойчивость и управляемость самолета в воздухе. До 20 марта 1937 г. Громов выполнил еще 14 полноценных испытательных полетов, позволивших выявить недостатки и недоработки машины. Признавалось, что достигнутая максимальная скорость 370 км/ч недостаточна, но резервы для ее повышения есть. Кроме того, требовалось увеличить эффективность руля поворота, доработать винтомоторную группу, дополнить приборное оборудование.
В ходе доводочных работ, которые начались в конце марта 1937 г., на самолете установили новые моторы АМ-34ФРН с измененной системой охлаждения. В новом варианте все четыре водяных радиатора разместили попарно под внутренними двигателями, в мотогондолах, переходящих в обтекатели шасси в убранном положении. Лишенные радиаторов мотогондолы внешних двигателей стали более обтекаемыми, что заметно улучшило аэродинамику всего самолета. Одновременно в фюзеляже поставили АЦН.
После проведения этих работ АНТ-42 выполнил еще 3 пробных полета с Центрального аэродрома. Однако вскоре он должен был закрыться на капитальную реконструкцию, что заставило испытательский коллектив вместе с самолетом искать новое место базирования. Аэродром НИИ ВВС в Щелково также оказался не готов к приему огромного бомбовоза, поэтому заводская команда перебралась на небольшой подмосковный аэродром в Подлипки. Здесь в первом же полете самолет, пилотируемый летчиком В.В. Рыбушкиным, потерпел аварию при посадке, в результате которой было сломано шасси, деформированы моторамы двигателей, смята кабина штурмана.
Восстановление опытного экземпляра затянулось до 1 августа 1937 г. В первой декаде августа в Подлипки прибыла испытательная бригада НИИ ВВС во главе с летчиком-испытателем П.М. Стефановским. После кропотливого и придирчивого изучения самолета военные летчики перегнали его на базу в Щелково, причем этот небольшой по длительности перелет засчитали как контрольный облет после ремонта.
