После пролета города Штеттина на самолете командира в правом крайнем двигателе упало давление масла и его пришлось отключить, поставив воздушный винт во флютерное положение. Но летчики смогли довести бомбардировщик до Берлина и прицельно сбросить 40 стокилограммовых бомб.
Самолет, ложится на обратный курс, и, так как горючего оставалось только на 4 ч полета, а лететь по курсу необходимо было 7 ч, командир Пусэп принял решение возвращаться по кратчайшему маршруту. Самолет смог долететь только до территории Эстонии. При вынужденной посадке самолет ударился о деревья, но экипаж практически не пострадал. С большими трудностями летчикам удалось вернуться в свою часть и вновь встать в строй
Различные модификации самолета ТБ-7 участвовали в боевых действиях советской авиации во время Великой Отечественной войны, нанося бомбовые удары по вражеской обороне на Карельском перешейке, в Белоруссии, на Одере, в Восточной Пруссии и других местах, где бомбардировочной авиации отводилась ключевая роль в сокрушении обороны противника перед действиями наземных войск.
В начале 1942 г, майор Пусэп получил приказ подготовить самолет ТБ-7 для дальнего перелета через океан по сверхсекретному заданию, Модификация бомбардировщика с двигателями АМ-35, как более надежными, была снабжена дополнительными топливными баками в кислородными баллонами, так как герметичной кабины на нем не было.
Этот самолет доставил в Соединенные Штаты Америки и обратно Наркома иностранных дел СССР В.М. Молотова. Полетное задание было выполнено, несмотря на некоторые технические неполадки. Всего было пройдено 17 800 км воздушного пути, причем значительная часть его над океаном и территорией противника.
Этот полет оказал влияние на судьбу самолета ТБ-7, и его производство с двигателем АМ-35А было возобновлено, но двигателей по-прежнему не хватало в 1943 г. начала выпускаться еще одна модификация бомбардировщика – с двигателем АШ-82 конструкции А.Д. Швецова. Возобновление серийного производства самолета в условиях военного времени потребовало огромных усилий коллектива самолетостроительного завода, которым руководил будущий министр П.В. Дементьев.
В это время самолет получил марку Пе-8, в память о своем создателе Владимире Михайловиче Петлякове, погибшем в авиакатастрофе в 1942 г. Всего было выпущено 93 бомбардировщика АНТ-42 – ТБ-7 – Пе-8.
В 1944 г. производство самолетов было окончательно прекращено, причем одним из доводов в пользу этого решения было соображение о том, что для производства трех Пе-8 требуется столько же металла, сколько для производства полка истребителей. При этом явно недооценивались боевые возможности этих дальних бомбардировщиков, которые могли доставлять 5 т бомб на стратегические расстояниях. Впоследствии главнокомандующий ВВС сказал, что с прекращением производства Пе-8 поторопились, этот бомбардировщик следовало производить хотя бы в небольших количествах