Стрелковое вооружение включало открытую переднюю турель Тур-6 со спаренной установкой 7,62-мм пулеметов ДА (ДА-2), две перекатывающиеся с борта на борт турели Тур-5 за задней кромкой крыла (обычно они стояли диагонально), каждая тоже с парой ДА, и две выдвижные башни Б-2 под крылом. В каждой из последних находилось по одному ДА на шкворне. На самолетах ранних выпусков во всех точках стояли одиночные ДА, позднее уже в частях замененные на спаренные. Питание пулеметов-дисковое. Все спаренные установки имели запас по 24 диска, подкрыльные — по семь дисков. Башни Б-2 выдвигались и поднимались вручную самими стрелками.
Нормальная бомбовая нагрузка ТБ-3 составляла 2000 кг, в перегрузочных вариантах — до 5000 кг. В бомбоотсеке в кассетах Дер-9 горизонтально укладывались до 28 бомб калибра 50, 82 или 100 кг. Более крупные бомбы калибром до 250 кг размещались под крылом на четырех бомбодержателях Дер-13. По два Дер-13 находились под каждым крылом, располагаясь между моторами друг за другом. Еще большие боеприпасы подвешивались к подфюзеляжным балкам Дер-15 (для 250-кг или 500-кг бомб) и Дер-16 (для 500-кг и 1000-кг). И тех, и других было по четыре штуки. Они размещались двумя рядами несимметрично — Дер-15 и Дер-16 чередовались. Первые смещались к правому борту, а вторые — к левому. Кассетами Дер-9 можно было пользоваться только при снятых подфюзеляжных балках.
Теоретически каждый ТБ-3 должен был комплектоваться одним бомбовым прицелом «Герц-Бойков» (у левого сидения штурманской кабины) и одним Герц F1110 или Герц FI206 (у правого). Фактически стоял какой-то один, а первые серии сдавались вообще без прицелов, которые монтировали уже в частях. Позднее применяли прицелы отечественного производства ОПБ-1 и ОПБ-2, являвшиеся копиями немецких. Бомбосбрасыватель Сбр-9 позволял сбрасывать бомбы поодиночно, сериями или залпом (последнее требовало от бомбардира колоссальных физических усилий, поскольку сбрасыватель был механическим).
Для ведения фоторазведки и фиксации результатов бомбовых ударов ТБ-3 оборудовался фотоаппаратом «Потэ»1 Б (АФА-1 Б).
ТБ-3 проектировался под экипаж из 12 человек: Командир самолета (он же штурман), бомбардир, два пилота, радист, задний летнаб, два техника и четыре стрелка. Но вскоре перешли к более рациональному составу: командиром стал первый пилот, функции штурмана и бомбардира совместили, заднего летнаба сочли вообще ненужным. К 1933 г. установился состав из восьми человек: два пилота, штурман-бомбардир, два стрелка, старший техник и два младших техника (они же — стрелки выдвижных башен). На Дальнем Востоке во многих бригадах летали экипажи из восьми человек несколько иного состава: два пилота, два штурмана (один из них являлся еще и передним стрелком), механик, радист и два стрелка.
