На 1 января 1930 г. в ВВС РККА числились 33 тяжелых самолета иностранного производства и всего два ТБ-1. Но постепенно завод начал сдавать военным все больше машин. Хотя на них не хватало различного оборудования - бомбодержателей, прицелов, радиостанций, новую технику старались побыстрее отправить на места дислокации. Уже весной 1930 г. самолеты начали перегонять в Воронеж. На торжественное вручение прибыл председатель ВЦИК М.И. Калинин.
ТБ-1 довольно быстро осваивался личным составом. 1 мая 1930 г. бомбардировщики участвовали в первомайском параде в Москве. "Группа тяжелых кораблей" строем прошла над Красной площадью. Второй раз машину публично продемонстрировали 6 июля, когда на Центральном аэродроме проходила торжественная церемония передачи ВВС новых самолетов, считавшихся подарком XVI съезду ВКП(б). На небольшом воздушном празднике показали и один ТБ-1.
Машина нравилась летчикам. Она была устойчива на всех режимах полета и, несмотря на значительные размеры, могла выполнять глубокие виражи до 70 - 75°. Правда, при этом начинались небольшие вибрации концов крыла, но они оказались неопасными. Взлет был так же прост, как и посадка. При переходе с Р-1 на ТБ-1 летчику лишь требовалось привыкнуть к штурвальной колонке. Бомбардировщик успешно эксплуатировался на неровных площадках. Большим недостатком являлся ограниченный обзор у пилотов на рулении и в начале взлета. Длинный нос закрывал все впереди. Левый летчик видел только то, что слева, правый - что справа. Поэтому по аэродрому рулили по командам штурмана, стоявшего в проеме передней турели. Заход на посадку по темже причинам выполняли в зависимости от того, на каком месте сидел пилот: левый летчик делал левый разворот, правый, соответственно, правый.
Кабины были тесноваты для работы в зимнем обмундировании, в которое входили меховая шуба, рукавицы и валенки. И вообще, в открытых кабинах в холодную погоду было очень неуютно. В мороз приходилось надевать на лицо шерстяную маску, а кожу смазывать гусиным жиром.
В течение 1930 г. 11-я бригада получила 12 самолетов. Тем временем началось перевооружение эскадрилий в Ленинградском военном округе. В 57-ю эскадрилью первые ТБ-1 доставили в августе, в 55-ю - в октябре. До конца года в общей сложности на аэродром Кречевицы, где стояли обе эскадрильи, перегнали девять машин. К новому году в ВВС РККА имелось уже 52 новых бомбардировщика, 45 из них исправных. Продолжалось доукомплектование 11-й бригады. Ее экипажи стали принимать самолеты в Москве, на заводском аэродроме. Так, в мае 1931 г. ТБ-1 оттуда перегоняли летчики 51-й и 59-й эскадрилий. Ставилась задача в кратчайшие сроки довести бригаду до полной боеготовности. Учебные полеты велись очень интенсивно. Не обходилось и без аварий. Командир одного из отрядов 51-й эскадрильи Павлов ночью потерял ориентацию в пространстве; самолет врезался в землю. По счастью, экипаж отделался лишь ранениями.
В подмосковном Монино формировали сразу две бригады - 17-ю и 23-ю. К этому времени тяжелобомбардировочные бригады стали иметь по четыре эскадрильи по 12 самолетов в каждой. В августе - сентябре 1931 г. новые машины приняли участие в маневрах Красной Армии на Украине. При этом они применялись в качестве дневных и ночных бомбардировщиков, дальних разведчиков и военно-транспортных самолетов.
В октябре того же года ТБ-1 продемонстрировали немецкой военной делегации в НИИ ВВС. Один из офицеров Рейхсвера, фон Масебах, даже получил возможность пилотировать бомбардировщик с правого кресла под контролем советского инструктора. Машина получила очень высокую оценку - в Германии подобной техники тогда не было. К началу 1932 г. в строю находились уже 155 ТБ-1. Три эскадрильи дислоцировались в Воронеже, четыре - в Монино, две - в Кречевицах под Псковом. Одна эскадрилья, 70-я, вошла в ВВС ОКДВА. На Дальний Восток направили еще одну эскадрилью, 51-ю, но ее в итоге передали в морскую авиацию и она стала минно-торпедной. В традиционном первомайском параде в Москве принял участие 61 бомбардировщик из 11-й и 17-й авиабригад. Пилотов для многомоторных самолетов начали готовить специально. В 3-й школе военных летчиков обучение теперь завершалось полетами на ТБ-1.
"Звездным часом" ТБ-1 стало лето 1932 г. К 25 августа ВВС располагали 203 машинами этого типа, более трети из них базировались в Московском военном округе. Но уже с осени бригады начали перевооружать на новые ТБ-3. Приоритет в получении четырехмоторных бомбардировщиков отдали Монину. К весне 1933 г. в ВВС остались всего четыре эскадрильи, оснащенные старой техникой. На первомайском параде в Москве ТБ-3 уже было вдвое больше, чем ТБ-1. Постепенно двухмоторные бомбардировщики оказались вытеснены на роль учебно-тренировочных и транспортных машин. Летчик, не прошедший подготовки на них, не допускался к полетам на четырехмоторном гиганте.
К январю 1935 г. ТБ-1 на колесах эксплуатировались только в трех сухопутных эскадрильях: 1-й и 2-й в Кречевицах (бывших 55-й и 57-й) и 109-й (ранее 70-й) в Воздвиженке на Дальнем Востоке. Последние ТБ-1 использовали как бомбардировщики до 1936 г. В Средней Азии одна эскадрилья 13-го лбап, базировавшаяся в Ташкенте, летала на них до июня 1939 г., после чего перешла на СБ.
С 1935 г. ТБ-1 начали передавать ГВФ или списывать. Оставшиеся служили как учебные или транспортные без вооружения. По одному-два самолета выдавали многим эскадрильям (позднее полкам). Так, в июне 1938 г. в Забайкалье они имелись в 22-м иап (2 машины), 15-м шап (1) и 32-м сбап (3). Использовали их и в школах, готовивших летчиков, штурманов и стрелков для бомбардировочной авиации. На 1 апреля 1939 г. там числились 26 ТБ-1. Но не все эти машины могли летать. Например, из четырех самолетов, находившихся в 4-й школе авиатехников в Иркутске, ни один не мог подняться в воздух.
На 25 сентября 1940 г. в ВВС осталось всего 28 ТБ-1.
