В начале двадцатых годов прошлого века Красной армии потребовался самолет, способный нести торпеду или мины на несколько сотен километров. Новое средство поражения должно было компенсировать временную слабость флота, еще не оправившегося от Первой мировой войны, революции и гражданской войны.
Изначально заказ на торпедоносец планировали отдать англичанам, но те попросили за свою работу полмиллиона рублей в валюте и готовы были построить самолет лишь за полтора года. Заказчика, Особое техническое бюро по военным изобретениям, такие условия не устраивали, и техническое задание передали в недавно созданный Центральный аэрогидродинамический институт (ЦАГИ), одним из подразделений которого руководил в то время молодой инженер Андрей Туполев. Будущий легендарный конструктор пообещал «родить» новую машину за девять месяцев.
Для создания опытного образца самолета, получившего рабочее название АНТ-4, требовался новый прочный легкий металлический сплав на основе алюминия, похожий по своим характеристикам на дюралюминий, который использовали инженеры германской фирмы «Юнкерс» в Junkers J7. В Советском Союзе был трофейный экземпляр такой машины. Его разобрали на части и изучили состав металла, из которого он был произведен. К середине 1922 года инженерам-металлургам Кольчугинского завода по обработке цветных металлов удалось получить сплав с необходимыми свойствами. Его назвали кольчугалюминием в честь города Кольчугино.
Будущий бомбардировщик проектировали и собирали в обычном доме на Вознесенской улице, ныне улица Радио, в Москве. На первом этаже установили оборудование, на втором — собирали крупные узлы. Работа шла медленно, потому что Андрею Туполеву часто не хватало квалифицированных рабочих. Когда первый летный экземпляр был готов к транспортировке на аэродром для финальной доводки, авиаторам пришлось сломать стену, чтобы вытащить его из здания.
Первый полет новой машины состоялся 26 ноября 1925 года и длился всего семь минут. С началом заводских испытаний конструкторы внесли в самолет ряд доработок, касавшихся работы двигателей и систем управления. Изменения позволили увеличить максимальную скорость бомбардировщика до 196,5 километра в час, он мог летать на высоте 400-500 метров с одним работающим двигателем, выросла бомбовая нагрузка. В июле 1926 года Аполлинарий Томашевский выполнил два полета на время, первый из них продолжался 4 часа 15 минут с нагрузкой в 1075 килограммов, второй — более 12 часов с 2045 килограммами груза на борту.
В феврале 1928 года построили дублер-эталон АНТ-4, который получил обозначение ТБ-1. На него установили более мощные двигатели BMW, три пулеметные турели, кассетный бомбодержатель, бомбосбрасыватель, фотооборудование и радиостанцию. Самолет мог нести 1000 килограммов бомб, его экипаж состоял из шести человек. Серийное производство первого в мире цельнометаллического бомбардировщика началось летом 1929 года на заводе №22 в Москве. Советские ВВС заказали сразу несколько сотен новых ТБ-1 для создания соединений тяжелых бомбардировщиков.
На базе ТБ-1 было создано множество модификаций, в том числе, экспериментальных. Две серийные машины со снятым вооружением подготовили для рекордного перелета по маршруту Москва — Нью-Йорк, через Дальний Восток и Тихий океан. Исторический полет начался 8 августа 1929 года, но первый самолет разбился под Читой. Его экипаж выжил, вернулся в Москву и уже 23 августа вновь поднялся в воздух. На борт воздушного судна нанесли тот же номер, что был у ТБ-1, экстренно приземлившегося в тайге. По пути из СССР в США в течение 137 летных часов бомбардировщик пролетел 21 242 километра, из которых 7 950 километров проходили над водой.
На самолет устанавливали поплавки и лыжи, отрабатывали на нем технику торпедометания и испытывали взлетные пороховые ускорители. ТБ-1 побывал и в роли авианосца. На его крылья устанавливали по два истребителя, которые на высоте около километра отцеплялись от бомбардировщика и продолжали самостоятельный полет. Это позволило вдвое увеличить радиус действия истребительной авиации. С 1933 по 1935 годы на тяжелом бомбардировщике отрабатывали технологию дозаправки в воздухе.
В 1938 году состоялся автоматический полет экспериментального телемеханического самолета, созданного на базе тяжелого бомбардировщика. Экипаж, поднявший машину в воздух, выпрыгнул из нее с парашютами, а дальнейший путь контролировался с другого самолета с помощью системы радиоуправления. Предполагалось, что таким образом можно будет создать радиоуправляемые самолеты-бомбы, направляемые на цель с расстояния в несколько километров.
ТБ-1, снятые с вооружения, переделывали в грузопассажирские самолеты и передавали их Аэрофлоту под обозначением Г-1.
Первый советский серийный цельнометаллический бомбардировщик ТБ-1 в различных модификациях и сферах применения эксплуатировался более 20 лет. Опыт, полученный во время его создания, лег в основу будущих тяжелых бомбардировщиков, в частности, одного из самых массовых довоенных самолетов подобного класса ТБ-3. Эксплуатация тяжелого бомбардировщика в качестве «летающего грузовика» стала начальным этапом развития отечественной военно-транспортной авиации.