На 1937 г. планировали введение полностью закрытой отапливаемой пилотской кабины и верхней огневой точки, оснащённой 20-мм пушкой ШВАК). Параллельно велись работы по ТБ-3Д с дизельными двигателями. Они шли ещё с 1935 г. На один из самолетов установили четыре мотора АН-1А по 900 л.с. Это были четырехтактные V-образные 12-цилиндровые дизели, созданные в ЦИАМ под руководством А.Д.Чаромского. Обладая меньшим расходом горючего, они могли существенно повысить дальность полета. Опытный ТБ-3Д вышел на испытания в начале 1937 г. Расчеты конструкторов оправдались, но надежность дизелей оказалась недостаточной. К тому же в 1938 г. ТБ-3Д потерпел катастрофу, в которой погиб техник самолета и о серии вопрос даже не ставился.
Работали и над улучшением высотных характеристик мотоустановки. Здесь направлений было два. Группа С.А.Трескина из МАИ в 1935 г. создала агрегат центрального наддува АЦН-1. Пятый двигатель М-34, размещенный в фюзеляже, вращал мощный компрессор, подававший сжатый воздух к четырем основным моторам. АЦН-1 построили и успешно испытали на ТБ-3. Недостатком этой схемы являлась громоздкая система длинных воздуховодов. Впоследствии подобную систему АЦН-2 (с приводом от мотора М-103А) использовали на ранних ТБ-7.
Более перспективным направлением считалось применение турбонаддува. Опытный двигатель М-34НФ (985 л.с.) оснащался комбинацией приводного нагнетателя и турбонагнетателя ТК-1. Он тоже испытывался на ТБ-3, но надежность первых турбонагнетателей была весьма невысока. Это определялось, в первую очередь, отставанием отечественной металлургии – не имелось подходящих жаропрочных сплавов. Турбонагнетатели «жили» недолго и постоянно страдали от прогаров коллекторов, обрыва лопаток и разрушения дисков турбин.
В 1936 г. в РНИИ работали над сокращением взлетной дистанции с помощью ракетных ускорителей. Оказалось, что установка ракет требует серьезного изменения конструкции машины (против вредного влияния газовой струи), на что идти никто из разработчиков и эксплуатантов не захотел. Куда больший интерес у военных вызвали созданные там же 245-мм реактивные снаряды, которыми предложили вооружить ТБ-3 в 1936 г. специалисты института. А в декабре 1938 г. на Научно-исследовательском полигоне авиационого вооружения (НИПАВ) под Ногинском испытывали самолет со снарядами РОФС-203.
Но на серийных ТБ-3 все эти новинки не привились. И вообще время медлительного гофрированного бомбовоза безвозвратно уходило. Модификация ТБ-3 с М-34ФРН явилась вершиной совершенствования ТБ- 3, но к этому времени самолет уже начал устаревать. В мире появились представители нового поколения тяжелых бомбардировщиков – высотных и скоростных. В декабре 1936 г. на испытания вышел АНТ-42 (ТБ- 7), а в 1937 г. в США создали «Боинг-299», вскоре превратившегося в легендарную «Летающую крепость». На этом фоне гофрированная обшивка, неубирающееся шасси и открытая пилотская кабина ТБ-3 выглядели анахронизмом. Отставание самолета от новейших разработок других стран отмечалось уже в заключении по результатам государственных испытаний варианта с М-34РН. Поэтому производство машин постепенно начало сокращаться. В 1937 г завод №22 сдал всего 22 бомбардировщика, и еще одну машину – завод №18. Весной 1938 г в Москве выпустили последний ТБ-3 и в мае его получила 23-я ТБАБ в Монино.
