На всех ТБ-3 ранних серий стояли моторы М-17 со степенью сжатия 7,3 (М-17Е7,3), 12-цилиндровые V-образные водяного охлаждения мощностью 500/730 л. с или аналогичный вариант усовершенствованного М-17Б (той же мощности). Значительно реже монтировали М-17Е6.0 меньшей высотности (505/680 л.с.) или такой же М-17Б. Выхлоп осуществлялся через коллекторы вверх-назад. Винты — деревянные (из дуба и ясеня), двухлопастные, типа ЦАГИ, постоянного шага, диаметром 3,5 м. Втулки винтов прикрывались небольшими алюминиевыми коками. Лобовые радиаторы стояли наклонно под моторами. Летом их заливали водой (желательно кипяченой или дождевой, но при необходимости брали и из ближайшей речки), зимой воду грели или заполняли систему водо-спиртовой смесью, позднее антифризами на основе этиленгликоля. На каждый двигатель шло до 100 л воды. Охлаждение воды в радиаторе регулировалось поворотом створок жалюзи, которыми управлял из своей кабины старший техник. Электрооборудование к моторам (магнето, свечи) первоначально закупалось за границей, но достаточно быстро его выпуск наладили в СССР. Моторы запускались сжатым воздухом от наземных или бортовых баллонов, а иногда и раскручивались вручную (со специальных платформ), позднее — автостартером.
Бензин заливался в четыре крыльевых бака, которые висели на лентах, прикрепленных к лонжеронам. Каждая пара баков питала моторы своей стороны, перекрестное питание отсутствовало. Баки клепались из дюраля, их герметичность обеспечивалась прокладками из ватмана на шеллаке. Каждый бак емкостью 1990 л делился перегородками на три отсека, каждый со своей заливной горловиной. Объем отсеков немного отличался (от 460 до 520 л). Отсеки соединялись через краны. Всего самолет нес 7960 л бензина. В кабине техника имелся небольшой (на 16 л) заливной бачок. М-17 работали на смеси 65 % бензола и 35 % бакинского бензина 2-го сорта или 75 % бензола и 25 % грозненского бензина. Топливо гнали к моторам мембранные насосы AM, с самолета N“22171 (и с № 3907) их сменили на шестеренчатые ПМ-18. Масло ААС заливалось в баки по 120 л, установленные в крыле за моторами, и охлаждалось в круглых водомасляных радиаторах. Позднее запас масла значительно уменьшили.
Моторы сверху закрывались откидывающимися вперед дюралевыми капотами. За работой двигателей можно было наблюдать в полете изнутри крыла через люки в противопожарных переборках. Для работы механиков на земле из носка крыла выбрасывались откидные площадки-мостики. Они подвешивались на тросах к специальным крючкам на капоте, а открывались и закрывались из прохода внутри крыла. На ранних сериях мостики выполнялись однозвенными и позволяли обслуживать только верхнюю часть двигателя. Позднее добавили ещё одну секцию, и мостик теперь крепился в двух положениях — верхнем и нижнем.
