В начале 1920-х годов среди самолётостроителей Страны Советов разгорелась дискуссия, из чего строить советские самолёты. Обилие лесов в СССР, казалось, склоняло к тому, что отечественные самолёты должны быть деревянными. Но были среди конструкторов и те, кто настаивал на том, что Советский Союз должен строить цельнометаллические самолёты. Одним из этих людей был молодой инженер Андрей Николаевич Туполев.

Однако в отличие от остальных своих единомышленников, на своем мнении Туполев настаивал не только на словах, но и на практике. Осенью 1923 года он создаёт легкомоторный самолёт АНТ-1 с 35-сильным двигателем Анзани, а весной 1924 – трёхместный АНТ-2, снабженный 100-сильным двигателем Бристоль Люцифер. И если первый был почти цельнометаллическим, то второй вообще не имел деревянных деталей. Обшивка же обоих летательных аппаратов была выполнена из кольчюгалюминия – материала, аналогичного дюралю, выпускаемого заводом цветных металлов в городе Кольчугино нынешней Владимирской области.

Испытания показали, что алюминиевые самолёты обладают лучшими, по сравнению с деревянными, лётными данными, так как несмотря на то, что алюминий имеет больший, чем дерево, удельный вес, самолёты из алюминия легче деревянных – в деревянных самолётах меньшую прочность дерева приходится компенсировать большей толщиной стрингеров, лонжеронов, нервюр и шпангоутов. 

Дальнейшим развитием идеи кольчугалюминиевого самолёта стал биплан АНТ-3, принятый на вооружение РККА под индексом Р-3.

Успех лёгких цельнометаллических самолётов убедил советское руководство в целесообразности создания по этой технологии тяжёлого бомбардировщика, и 11 ноября 1924 года по заказу Особого технического бюро  в ЦАГИ началось проектирование и постройка самолета ТБ-1. К машине предъявлялся минимум требований: скорость не менее 165 км/ч, полная нагрузка в 2000 кг. , а также возможность сбрасывания торпед и морских мин – первоначально бомбардировщик мыслился как средство борьбы с крупными надводными кораблями вероятного противника.

В ЦАГИ непосредственным проектированием самолетов занималось подразделение под названием АГОС (аббревиатура от слов: авиация, гидроавиация, опытное строительство), которым руководил А.Н. Туполев. Уже в октябре заказчику представили предварительный проект самолета АНТ-4. Это был двухмоторный цельнометаллический свободнонесущий моноплан с гофрированной обшивкой.

Основу конструкции составляли фермы из дюралюминиевых и стальных труб, принимавшие на себя основную нагрузку. Гофрированная обшивка обеспечивала прочность и жесткость на кручение.

По расчетам конструкторов АНТ-4 с двумя моторами Бристоль «Юпитер» по 400 л.с. мог бы лететь со скоростью до 190 км/ч и иметь радиус действия 750 км. Самолет должен был нести одну мину весом до 960 кг.

В ходе проектирования самолет претерпел некоторые изменения. Первоначально фюзеляж для повышения жесткости должен был иметь треугольное сечение, так же как у  АНТ-2 и АНТ-3. Однако проведенные в ЦАГИ исследования показали, что в сочетании с нижним расположением крыла это дает слишком большое аэродинамическое сопротивление. Поэтому конструкторы перешли к сечению в виде сужающейся книзу трапеции.

Исходя из технологических требований, самолет членился на узлы. Фюзеляж состоял из трех секций, средняя выполнялась зацело с центропланом, к которому по поясам лонжеронов коническими болтами крепились две консоли. Крыло - многолонжеронное, с редко расставленными нервюрами. Обшивка, толщина которой постепенно уменьшалась к концам консолей, подкреплялась легкими стрингерами.

Основные стойки шасси выполнили в виде трехгранных пирамид, так что нижняя часть фюзеляжа оставалась свободной, позволяя подвесить мину или торпеду. Стойки амортизировались резиновыми шнурами. В хвостовой части фюзеляжа располагался костыль.

Два мотора «Лайон» устанавливались на передней кромке крыла. Вода и масло охлаждались в модных тогда цилиндрических радиаторах Ламблена. Бензин находился в семи баках в крыле и фюзеляже. Из расходных бачков он поступал к моторам самотеком (считалось, что так надежнее), а туда перекачивался из основных баков ручным насосом. Деревянные винты диаметром 3,15 м также спроектировали и изготовили в ЦАГИ.

Машина была готова 11 августа 1925 г., а 25 августа состоялась ее приемка комиссией с участием представителей Остехбюро. Первый полет состоялся 26 ноября, и вскоре самолёт выставили на государственные испытания. Они велись с 11 июня по 2 июля 1926 г.; всего налетали 42 часа. Доводка мотоустановки и управления позволила достигнуть максимальной скорости 196,5 км/ч. Сверх программы испытаний лётчик-испытатель Томашевский выполнил два рекордных полета на продолжительность: с нагрузками 1075 кг (10 июля) и 2054 кг (2 июля). В первом случае АНТ-4 пробыл в воздухе 4 ч 15 мин, во втором - 12 ч 4 мин. Поскольку СССР не входил тогда в международную федерацию, за границей их не признали. Однако председатель ВСНХ Феликс Эдмундович Дзержинский направил в ЦАГИ поздравительную телеграмму, в которой, в частности, говорилось: «Рекорды вашего самолета АНТ-4 выдвигают советское авиастроение в ряды последних достижений мировой техники».

Заказчиком второго АНТ-4 было уже Управление ВВС. Заказ был оформлен в июле 1926 г. Самолет в нем именовался ЛЗ-2ЛД, то есть легкий бомбардировщик с двумя моторами «Лоррэн-Дитрих». Интересно, что заказанная машина согласно этому документу считалась эталоном для серийного производства. Предполагалось, что серийный выпуск начнется примерно через 20 месяцев, рабочие чертежи будут выполняться силами Авиатреста. Однако моторы «Лоррэн-Дитрих» пользовались невысокой репутацией: они потребляли много горючего и масла, были плохо уравновешены и вызывали на самолетах сильные вибрации. Покупали их в основном из-за низкой цены. 19 апреля 1927 г. НТК предложил ЦАГИ рассмотреть возможность установки на самолете новых немецких двигателей BMW VI. На высоте они могли развить мощность до 600 л.с, что позволяло несколько улучшить летные данные. Кроме того, намечался выпуск моторов BMW VI по лицензии, а это решало проблему зависимости от импорта.

В сентябре 1927 года ЦАГИ представил военным эскизный проект, который 22 сентября был одобрен. Данные машины вполне укладывались в рамки задания на «бомбовоз тяжелого типа», утвержденного в июне 1926 г. Поэтому в дальнейшем самолет считался тяжелым бомбардировщиком и вскоре получил новое обозначение ТБ1-2БМВ6 (или TE1-25MBVI). Позднее появилось написание ТБ-1. Более мощные моторы потребляли больше горючего: на самолете теперь имелось 10 баков на 1650 кг бензина. Кроме пневмопуска, ТБ-1 оснастили устройством ручного запуска. Причем ручка находилась не снаружи, а внутри самолета. Она была откидной, с несколькими шарнирами. Предполагалось, что с ее помощью кто-то из членов экипажа сможет раскрутить мотор прямо в полете. Управление самолетом сделали двойным: в расширенной кабине могли сидеть два летчика. Но по штату пилот был всего один – левый. Правое место при необходимости мог занять помощник, он же средний стрелок. Всего экипаж включал пять человек: бомбардира-навигатора (штурмана) – он же радист и фотограф, носового стрелка, летчика, помощника летчика (среднего стрелка) и кормового стрелка, который одновременно был командиром экипажа самолета.

Стрелковое вооружение составляли три турели, каждая с двумя пулеметами «Льюис» калибра 7,62 мм. Одна турель располагалась в самом носу бомбардировщика, еще две стояли друг за другом в хвостовой части фюзеляжа. Боезапас для каждой установки составлял 12 дисков. Планировали дополнительно поставить один пулемет на шкворне, стреляющий в люк вниз-назад, но в начале ноября от этого отказались, поскольку сочли, что понадобится еще один стрелок. Нормальная бомбовая нагрузка определялась в 730 кг, максимальная – 985 кг. Бомбы размещались в кассетных держателях Дер-9 на 16 замков в фюзеляже и снаружи на балках под центропланом. Сбрасыватель был механический, типа Сбр-8, для прицеливания при бомбометании служил немецкий оптический прицел Герц F1110, находившийся в передней кабине.

ВВС заказали несколько сотен ТБ-1, что позволяло перейти к созданию соединений тяжелых бомбардировщиков. К моменту поступления в части первых ТБ-1 в составе ВВС имелись лишь две эскадрильи  немецких ЮГ-1, да четыре экземпляра французских ФГ-62, которые использовались как учебные и транспортные. Теперь можно было подумать о формировании бригад тяжелых бомбардировщиков. Каждая должна была состоять из трех эскадрилий по шесть самолетов. Таким образом, вместе с машинами штаба полностью укомплектованная бригада включала почти 20 бомбардировщиков. Осенью 1929 года в Воронеже началось создание первой такой бригады – 11-й, включавшей 51, 53-ю и 59-ю эскадрильи. Всего же авиазаводы СССР выпустили 218 самолетов ТБ-1, в том числе 66 типа ТБ-1П, имевшие поплавки вместо колёсного шасси.

С 1935 года 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 года в ВВС осталось всего 28 ТБ-1.