За 1937 год в серийные чертежи ТБ-7 (АНТ-42) было внесено множество изменений по выявленным дефектам. Оборонительное вооружение приняли в составе 7 пулеметов ШКАС и одной пушки ШВАК. За 1938 год была спроектирована новая носовая часть фюзеляжа без выступающей вниз кабины штурмана.

В начале 1939 года работы по постройке первой серии ТБ-7 шли в нормальном темпе, началась окончательная сборка первого серийного самолета. Но тут выяснилось, что агрегат центрального наддува АЦН-2 не поступил на серийное производство. Отсутствие АЦН-2 целиком меняло лицо ТБ-7, так как превращало его в заурядный средневысотный тяжелый бомбардировщик. ТБ-7 лишался основного своего преимущества - больших боевых высот полета и высокой скорости полета на этих высотах. Это в комплексе с проведенным снижением оборонительного стрелково-пушечного потенциала практически полностью выхолащивало и обесценивало первоначальную идею.

При сложившемся положении дел к концу 1939 года завод сумел выпустить только два самолета с двигателями АМ-34ФРН и агрегатами центрального наддува АЦН-2. Наркомат решил поставить на столь хлопотливом ТБ-7 крест и в начале 1940 года производство самолета было прекращено.

Такое положение шло вразрез с теми планами, которые строили ВВС по ТБ-7 и спустя несколько месяцев под воздействием различных факторов интерес к программе ТБ-7 появился вновь.

Самолет продолжает выпускаться с разными силовыми установками, в том числе с дизелями М-40. Этот вариант успешно прошел испытания, а все недостатки дизельных двигателей проявились лишь через несколько месяцев, когда самолеты с моторами М-40 начали летать на больших высотах в условиях нормальной войсковой эксплуатации.

Более удачно сложилась судьба самолетов с двигателями АМ-35А. Таким образом, к началу войны в строю были машины и с АЦН-2, и с АМ-35, и с дизелями.

М.В.Водопьянов еще накануне войны обратился с письмом к Сталину о целесообразности создания специального соединения, оснащенного ТБ-7. С началом войны Сталин решил ее осуществить. Местом формирования и первоначального базирования была выбрана Казань. Начался сбор сохранившихся после первых дней войны ТБ-7. На Полтавском аэродроме удалось обнаружить восемь машин, на других аэродромах Украины еще пять. Несколько машин находилось на испытаниях в НИИ ВВС, несколько стояло на заводском аэродроме в Казани. Машины подбирались разношерстные, с различными типами силовых установок, с различным составом оборонительного вооружения. К началу августа были закончены вывозка и обучение экипажей самолетов.

Первый налет на Берлин 10 августа 1941 года закончился полным провалом. После августовской эпопеи самолеты продолжали вылетать на боевые задания по дальним и ближним целям с подмосковного аэродрома. Было выполнено несколько налетов на Берлин и Кенигсберг. Полеты в основном проводились в ночное время, но иногда в острые моменты германского осеннего наступления на Москву ТБ-7 отправлялись в боевые вылеты по тактическим целям и в дневное время.

В феврале 1942 года в авиационной катастрофе погиб В.М.Петляков. После его гибели правительство принимает решение присвоить самолетам ТБ-7 обозначение Пе-8.

Отдельной главой в истории Пе-8 стало применение с этих самолетов самых крупных советских авиабомб того периода - ФАБ-5000. Единственной советской машиной, которая могла поднять и доставить к цели это чудовище, был Пе-8. По своей длине бомба в отсеке Пе-8 размещалась а вот ее метровый диаметр привел к тому что она значительно выступала за обводы фюзеляжа и не позволяла закрывать полностью створки бомболюка. В конце мая ФАБ-5000 была сброшена на сосредоточение германских войск в районе Могилева, 4 июня с помощью ФАБ-5000 перепахали железнодорожные пути в районе Орла, затруднив переброску германских войск в район Курского выступа.

Кроме заданий по бомбежке ближних и дальних тылов противника, экипажам Пе-8 иногда приходилось выполнять специальные задания. Весной 1942 года в правительстве рассматривали вопрос о визите Наркома Иностранных дел Молотова в Англию и США. Решено было организовать визит воздушным путем. Выбор пал на Пе-8. Состав пассажиров и место первой посадки стали известны командиру и штурману перед самым вылетом. Самолет прошел через линию фронта над оккупированной Европой и сел на один из аэродромов в Северной Шотландии. Из Шотландии Пе-8 перелетел в Рейкьявик в Исландии, пройдя Ньюфаундлен взял курс на Вашингтон где благополучно совершил посадку. Во время пребывания в США экипаж Пе-8 в полном составе был принят президентом Рузвельтом. За успешное проведение спецперелета оба пилота - Пусеп и Обухов и штурман Штопенко были удостоены званий Героев Советского Союза.

В начале 1945 года вышел на испытания Пе-8ОН - специальная модификация Пе-8 для особых пассажирских перевозок с дизельными двигателями АЧ-30Б на 14 пассажирских мест. По результатам заводских испытаний было отмечено, что новое вертикальное оперение увеличенной площади придало самолету большую устойчивость в полете по сравнению с серийными машинами и что это дает возможность выполнять нормальный полет с двумя отказавшими на одной плоскости крыла двигателями. Отмечалось, что АЧ-30Б работали в полетах удовлетворительно. Заводу предлагалось устранить ряд дефектов и передать самолет в эксплуатацию по назначению.

Дальнейшая судьба опытного самолета неизвестна.

На 1943 и первую половину 1944 года приходится пик боевой активности Пе-8: участие в бомбардировках во фронтовой полосе на Курской дуге, продолжающиеся налеты на глубокие тылы противника на территории Германии и ее созников, удары по артиллерийским позициям, обстреливавшим Ленинград. 1944 год стал последним годом боевого применения Пе-8. Теперь приходилось сталкиваться с мощной системой ПВО, оснащенной РЛС, ночными истребителями с пилотами, имевшими опыт двухлетней жестокой борьбы с соединениями американских и английских четырехмоторных бомбардировщиков. Все это ничего хорошего экипажам Пе-8 не сулило. Командование АДД решило поберечь на будущее ценнейшие кадры советских "летающих крепостей" и с весны 1944 года начало возлагать задачи, ранее решавшиеся бомбардировщиками Пе-8, на ленд-лизовские В-25 Mitchell и их экипажи.

Военная карьера самолетов Пе-8 закончилась, вскоре их в полках начали сменять бомбардировщики Ту-4.