Проектирование самолета АНТ-42 было начато в июле 1934 года бригадой Петлякова под руководством Туполева. Большая роль в создании самолета принадлежит инженеру Незвалю.
Схема – тяжелый четырехмоторный бомбардировщик, развитие конструкции ТБ-3 и в то же время – очень большой шаг вперед по сравнению с ним. Обшивка его стала полностью гладкой, схема – среднепланной, шасси – убираемым. Конструкция – цельнометаллическая, в основном из дуралюмина Д16, по типу самолета СБ, но размеры вдвое больше. В нем были те же ферменные лонжероны крыла с полками из труб стали 30ХГСА (впервые в СССР), те же V-образные профили в нервюрах, шпангоутах и стрингерах, заклепки – с чечевичной головкой. Фюзеляж – полумонокок овального сечения с большим бомболюком под центропланом. Ввиду отсутствия в то время подходящих высотных двигателей было принято довольно оригинальное решение – к четырем двигателям самолета добавить еще один, исключительно для вращения центробежного нагнетателя, обеспечивающего наддув и высотность четырех двигателей. В июне 1935 года были отработаны технические требования на агрегат центрального наддува (АЦН). Первый экземпляр самолета был выпущен осенью 1936 года.
Первый полет (Громов и Рыбко) состоялся 27 декабря, без включения АЦН, и только 11.08.1937 был выполнен полет с четырьмя двигателями АМ-34ФРН по 930...1200 л.с. и одним двигателем М-100 в 850 л.с. с включенным АЦН. На высоте 8000 м самолет показал скорость 403 км/час и достиг потолка 10800 м. Отмечалось, что самолет на большой высоте превосходит по скорости все известные тяжелые бомбардировщики и сравнялся с лучшими истребителями.
Проектирование самолета-дублера было начато в апреле 1936 года, а первый полет его состоялся в июле 1938 года. В соответствии с замечаниями, выявленными за время испытания опытного самолета, конструкция дублера была улучшена. На самолете были установлены двигатели АМ-34ФРНБ (на первых серийных АМ-34ФРНВ) и АЦН с М-100А. Масса пустого самолета увеличилась на 635 кг, емкость топливных баков возросла с 8250 кг до 8750 кг. Летно-технические данные изменились мало, и дублер был принят в качестве эталона для постройки опытной серии в пять экземпляров. Диапазон полетной массы в эксплуатации самолета был установлен от 24000 кг до 32000 кг. Рекомендовано было центральный наддув заменить индивидуальной установкой турбокомпрессоров на каждом двигателе АМ-34ФРНВ. Всем было ясно, что самолет очень хорош, что создан первый высотный скоростной бомбардировщик, полностью отвечающий требованиям своего времени и предвосхитивший развитие этого класса самолетов на несколько лет вперед. Но этот бомбардировщик нуждался в надежных двигателях достаточной мощности и высотности. Таким двигателем для него оказался высотный АМ-35А в 1200 л.с.
С этими двигателями самолет ТБ-7 с 1940 года начали строить серийно. Ответственным за серийное производство был назначен главный конструктор завода Незваль. После гибели Петлякова в 1942 году за самолетом утвердили название Пе-8. Размеры и конструкция самолета не менялись за время его существования. Размах крыла 39,01 м, площадь его 188,68 м², длина самолета 23,59 м, площадь горизонтального оперения 29,28 квадратных метров, вертикального 11,30 м², ширина фюзеляжа 1,6 м, высота его 2,5 м. Шасси с двухстоечной амортизацией, убираемое в мотогондолы движением назад, колеса 1600ґ500 мм, хвостовое – 700ґ300 мм, неубираемое. В носовой части фюзеляжа вращаемая пулеметная башня с двумя пулеметами ШКАС, два тяжелых пулемета УБТ в стрелковых установках за мотогондолами и две пушки ШВАК-20 в кормовой установке и в фюзеляжной за задним лонжероном крыла. В кабине летчиков их места расположены одно за другим и закрыты продолговатым фонарем, немного сдвинутым к левому борту. Вооружение было выбрано не сразу, первоначально преобладали легкие пулеметы ШКАС, потом их постепенно заменяли тяжелыми УБТ и пушками ШВАК. Серийный самолет выпуска 1941 года с двигателем АМ-35А имел массу пустого самолета 19986 кг, полетную 27000 кг в нормальном состоянии и 35000 кг в перегрузочном; его полная нагрузка составляла 15014 кг, весовая отдача 42,9 %, экипаж 8...11 человек. Полный запас топлива вначале 10800 кг, позднее был доведен до 13025 кг, масла – до 670 кг, бомбовая нагрузка нормальная 2000 кг, с перегрузкой 4000 кг.
Для самолета Пе-8 (начиная с него) при взлете стала учитываться не длина разбега, а взлетная дистанция с преодолением препятствия высотой 15 м. Длина ее была в зависимости от двигателей и полетной массы 1100...2300 м. Пробег был в среднем 580 м. Двигатели на Пе-8 ставились различные: на первых серийных самолетах АМ-34ФРНВ с АЦН-2 (замененные позднее на АМ-35А), затем АМ-35, на которых планировалось установить турбокомпрессоры (но сделано это не было), потом были АМ-35А, дизельные М-40 и М-30 (позже замененные на большинстве самолетов на АМ-35А), М-82 и дизельные АЧ-30Б. В единичных случаях были и другие моторы: М-105, АШ-82ФН (1946). Топливные баки располагались в крыле – в центроплане пять баков между лонжеронами крыла, в консолях – по пять баков между лонжеронами и по два бака в носках, а всего 19 баков. С двумя тоннами бомб при полной заправке максимальная дальность полета Пе-8 составляла: с моторами АМ-35А – 3600 км, с М-40 или М-30 – 5460 км, с М-82 – 5800 км.
В особых случаях дальность полета могла быть и больше. Например, в перелете Пуссепа 24...30.05.1942 – 02.06.1942 в Англию и в США и обратно с дипломатической миссией. Для этого перелета были установлены дополнительные баки и кислородные баллоны. В самолете было бронирование: две бронеспинки сидений летчиков и той же толщины (9 мм) небольшие плитки для защиты штурмана и стрелков в мотогондолах.
Самолет ТБ-7 (Пе-8) создавался и входил в жизнь в трудных условиях неполной ясности вопроса о том, в какой мере необходим нам тяжелый стратегический бомбардировщик при условии, что на него идет много стратегического дуралюмина. Тем не менее самолет ТБ-7 оставил заметный след в истории нашей авиации. На нем летали бомбить Берлин в первые месяцы войны. Авиация дальнего действия (АДД) выполнила ряд операций на этих самолетах. На ТБ-7 впервые, раньше чем в США и Англии, были подняты 5-тонные бомбы, хотя действия самолета в наших условиях часто бывали скорее тактические, чем стратегические. В мае 1943 года на нем бомбили Кенигсберг, а на Курской дуге в июле 1943 года бомбы весом 5 т сбрасывались на немецкую ударную группировку.
После войны Пе-8 служили как транспортные для перевозки спецгрузов и применялись в Арктике, причем взлетная масса их достигала 35 т и весовая отдача была более 50 %. Конструкция Пе-8 была в своем роде последней с трубчатыми лонжеронами, закрытыми профилями, внутренней клепкой, ручной выколоткой, уже отжившими свое время. Внедрялся новый – плазаво-шаблонный способ производства самолетов, и цельнометаллические конструкции менялись в соответствии с ним, но это осуществлялось уже в других самолетах. В 1944 году был построен пассажирский вариант Пе-8 для спецрейсов, с салоном на 12 человек и трехместной спальной кабиной. Двигатели АЧ-30Б. Отличия от серийных Пе-8: снята верхняя пушечная установка, на вертикальном оперении сделан форкиль. Испытывался в апреле 1945 года, но по назначению так и не использовался.