Тяжелый бомбардировщик АНТ-6 представлял собой выдающееся достижение советской конструкторской мысли. Это был первый в мире четырехмоторный свободнонесущий моноплан с двигателями, установленными в ряд по размаху в носке крыла. Созданный коллективом конструкторов во главе с А. Н. Туполевым АНТ-6 представлял дальнейшее развитие своего предшественника ТБ-1 (АНТ-4). Схема этих двух самолётов стала классической для машин подобного назначения.

Первый опытный экземпляр ТБ-3 опробовал в воздухе 22 декабря 1930 года лётчик М. М. Громов. Проведенные затем всесторонние испытания показали, что самолёт обладает хорошими лётно-техническими данными и был принят в 1932 году к серийному производству. Несмотря на огромные размеры (площадь крыла 230 м2, вес пустого более 10 тонн) и сложное по тому времени оборудование, самолёт в короткие сроки был освоен производственниками. За несколько лет заводы построили более 800 машин различных модификаций, что ярко свидетельствовало об успехах молодой советской авиапромышленности.

Первые машины АНТ-6 выпускались с двигателями М-17Ф в 500/715 л.с. Затем их оснащали более мощными и высотными М-34 и М-34Р в 750/830 л.с., а с 1936 года — М-34 ФРН в 900 л.с. конструкции А. А. Микулина. Менялось вооружение, оборудование, шасси, улучшалась аэродинамика самолётов, соответственно росли и лётные качества.

Первые серийные самолёты показывали скорость 167 км/час, а потолок — 3800 м. Машины же выпуска 1935 и последующих годов развивали скорость до 288 км/час и поднимались на высоту 7740 м. На улучшенных экземплярах самолёта лётчик А. Б. Юмашев в 1936 году установил пять международных рекордов подъема на высоту с грузом в 5, 10 и 12 тыс. кг.

На самолётах АНТ-6 с двигателями М-34Р в 1933— 1934 годах были выполнены три больших международных перелёта — в Варшаву, Париж и Рим. В каждом участвовало по три самолёта. Высокие качества гражданского варианта АНТ-6 «Авиаарктика» особенно ярко проявились в знаменитом «прыжке на крышу мира» в 1937 году. Четыре могучих машины под управлением лётчиков М. Водопьянова, В. Молокова, И. Мазурука и А. Алексеева, имевшие взлётный вес свыше 24 тыс. кг (вместо нормального 18 тыс. кг), произвели посадку на ледовом поле Северного полюса. Высадив научную группу И. Папанина, все самолёты возвратились на материк.

Военные варианты АНТ-6 (ТБ-3) хорошо показали себя в боях с японскими захватчиками у озера Хасан и в районе реки Халхин-Гол. Некоторое количество самолётов ТБ-3 использовалось для бомбовых ударов в первые месяцы Великой Отечественной войны, а также для доставки срочных грузов к линии фронта и в партизанские районы.

Конструкция АНТ-6 — цельнометаллическая. Все наружные поверхности — из гофрированного дюраля толщиной от 0,3 до 0,8 мм. Средняя часть фюзеляжа составляла одно целое с центропланом, крыло — четырехлонжеронное с несколькими эксплуатационными разъемами, что позволяло перевозить самолёт в разобранном виде по железной дороге на обычных платформах. Двухколесное шасси тележечного типа потом было заменено колесами двухметрового диаметра, костыль — хвостовым колесом.

С 1935 года самолёт АНТ-6 начал широко использоваться как военно-транспортный. Он брал на борт 30—35 парашютистов, пушки, танкетки. Под маркой Г-2 (грузовой-второй) машины АНТ-6 много лет эксплуатировались на линиях гражданской авиации.