Доработка превратилась в создание нового самолета, совместившего черты туполевских проектов и МДР-3, от которого сохранились лишь общие обводы лодки. Самолет стал трехмоторным, со свободнонесущим крылом и однокилевым оперением. Высоко поднятый стабилизатор расположили в плоскости осей воздушных винтов, рассчитывая на то, что улучшение обдувки оперения избавит от тряски. По сравнению с МДР-3 площадь крыла увеличили на 25 квадратных метров. Стабилирон больше не требовался, поскольку сам стабилизатор выполнили с изменяемым в полете углом установки. Новое крыло состояло из трехлонжеронного центроплана с дюралевой обшивкой и консолей, обтянутых полотном, что было совершенно нетипично для самолетов Туполева. Концы отъемных частей крыла представляли собой съемные водонепроницаемые отсеки. АНТ-27 проектировался в трех вариантах: дальний разведчик, тяжелый бомбардировщик и пассажирский самолет на 14 мест. У разведчика экипаж состоял из пяти человек: штурман (он же передний стрелок), два пилота, бортмеханик и кормовой стрелок. В варианте бомбардировщика добавлялись еще двое: радист-бомбардир в передней кабине и стрелок пушечной установки. В целом по боевым возможностям АНТ-27 существенно превосходил МДР-3. Заказчики проект одобрили.
На постройку опытного образца отвели срок до 1 декабря 1933 года. Морской авиации нужен был новый дальний разведчик и бомбардировщик. Состоявшие на вооружении немецкие летающие лодки «Дорнье-Валь» (ДВ) давно устарели, несмотря на проведенную модернизацию. Но не все в руководстве вооруженных сил сохраняли уверенность в успешном завершении работы туполевского коллектива.
На состоявшемся 14 марта 1933 года совещании в штабе РККА, посвященном проблемам развития морской авиации, начальник Военно-морских сил В. М. Орлов, памятуя о предыдущих неудачах при попытках создать отечественную летающую лодку подобного класса, ратовал за покупку в Италии гидропланов-катамаранов «Савойя» S-55. Ему возразил начальник штаба ВВС В. В. Хрипин, считавший создание МДР-4 вполне реальным. В конце концов, за Хрипиным оказалось большинство присутствовавших. Самолет завершили к 7 марта 1934 года и через три дня в разобранном виде отправили из Москвы в Севастополь, где находилось Морское отделение экспериментально-летных испытаний и доводки (МОЭЛИД) ЦАГИ. Там машину собрали, провели регулировку и подготовили к первому вылету. 8 апреля летчик Т. В. Рябенко поднял самолет в воздух. Во всех последующих полетах АНТ-27 пилотировал А. А. Волынский. В испытаниях принял участие старый друг и соратник Туполева И. И. Погосский, неоднократно лично поднимавшийся в воздух. В целом полеты проходили нормально, летчики лишь жаловались на поведение самолета при взлете, так как он непривычно реагировал на принятый в то время разбег с раскачкой.
15 апреля 1934 года, на взлете, на глазах Туполева, самолет потерпел катастрофу и Иван Иванович Погосский, с которым он был знаком уже более двадцати лет, погиб.
Гибель старого друга, в которой Туполев винил прежде всего самого себя, произвела на него самое тяжелое впечатление. После катастрофы, наспех сдав дела, он уехал из Севастополя, по телефону доложил Орджоникидзе о катастрофе и несколько дней не появлялся в ОКБ и не выходил на связь. Это был редчайший, если не единственный случай в биографии Туполева.
Установка новых моторов несколько увеличила нагрузки, и, возможно, проявились незамеченные дефекты прошивки. Судьба дублера не повлияла на решение о серийном производстве. В начале 1936 года МДР-4, официально переименованный в МТБ-4 (морской торпедоносец-бомбардировщик), был официально принят на вооружение ВВС РККА, правда, как «переходный». Это означало, что машина будет эксплуатироваться временно, до поступления более современной техники. В качестве таковой рассматривался четырехмоторный АНТ-44 (МТБ-2), работа над которым уже начиналась. К серийному выпуску МДР-4 стали готовиться гораздо раньше. Еще 31 марта 1934 года ЦАГИ заключил договор с Таганрогским заводом, по которому брал обязательства обеспечить необходимую техническую документацию и оказать помощь в процессе внедрения машины в производство. 27 января 1936 года ГУАП установило заводу новое задание — к концу года собрать 16 лодок. Но предприятие, строившее в основном деревянные самолеты, осваивало МДР-4 с большими сложностями и к новому году выпустило только пять машин.
Заводские испытания головного самолета начались 29 апреля 1936 года и проходили в двух вариантах загрузки — разведчик и бомбардировщик. По стрелковому вооружению они теперь не различались. На всех серийных машинах стояли по три пулемета ШКАС. В план 1937 года включили лишь десять МДР-4: уже вовсю шла подготовка к приобретению лицензий в США, а с намеченной для производства в СССР летающей лодкой «Консолидейтед 28» (более известной как «Каталина») МДР-4 конкурировать, безусловно, не мог. Таганрогский завод действительно собрал в 1937 году десять туполевских гидросамолетов.
Машины, первоначально оснащенные двигателями М-34Р, позднее были переведены на более мощные М-34РН. По крайней мере один самолет получил еще более совершенные М-34ФРН. Это был так называемый переходный вариант к модернизированному МДР-4Р, проект которого начали разрабатывать в декабре 1935 года с учетом опыта постройки дублера. Кроме новых двигателей, на нем решили упрочить крыло, заменить полотно на консолях гладкой алюминиевой обшивкой, переделать центроплан и поплавки, установить новую пулеметную башню и предусмотрели применение съемного лыжного шасси. Однако позднее МДР-4Р исключили из плана опытного строительства.
Летающие лодки, принятые военными, поступили в ВВС Черноморского флота, но сколь-нибудь широкой эксплуатации этих машин не было. В документах ВВС машины этого типа называются как бомбардировщики МТБ-1. Летала на них только 124-я морская тяжелая эскадрилья, базировавшаяся в Севастополе.
АНТ-22, или МК-1, был двухлодочным цельнометаллическим гидросамолетом с шестью двигателями АМ-34Р в трех тандемных (сдвоенных) установках на центроплане. Самолет этот уникален, он был крупнейшим из когда-либо построенных самолетов этой схемы. Назначение — морской крейсер, дальний разведчик открытого моря и бомбардировщик. Проектирование вела бригада гидросамролетов КОСОС под руководством И. И. Погосского при личном участии Туполева. Андрей Николаевич любил гидросамолеты и всегда подходил к их проектированию с особенным интересом. Работая над гидросамолетами, он говорил, что чувствует дыхание молодости, и называл себя «небоводным», добавляя, что земноводных он перерос.
Новая машина получилась большой — взлетный вес до 32,5 тонны, способной брать до пяти тонн бомб, относительно хорошо защищенной — шесть пулеметов и две пушки. Отличные гидродинамические качества, хорошая управляемость и устойчивость не могли компенсировать низкой скорости (около 200 км/ч) и скороподъемности.
Самолет имел ряд особенностей в схеме и конструкции. Размах и площадь крыла были значительны по сравнению с длиной лодок. Крыло было сделано бипланным расчалочным, чтобы усилить жесткость всей системы. Корпуса лодок имели относительно большие ширину и водоизмещение и при этом сильно развитую притуплённую носовую часть, значительно большую, чем требовалось по условиям плавучести. Это обеспечивало отличную мореходность гидросамолета, но увеличивало его массу.
