В декабре 1931-го УВВС сообщил ЦАГИ новые более подробные требования к самолету, предусматривавшие замену четырех двигателей М-35 шестью М-34 и сохранение основных летных характеристик самолета.

Как отмечалось выше, по своей аэродинамической схеме, компоновочным решениям и конструкции новый тяжелый бомбардировщик являлся дальнейшим развитием ТБ-3, имел с ним много общего и отличался от него значительно большими геометрическими размерами и увеличенной мощностью силовой установки. При этом основные удельные параметры, характеризующие самолет, остались практически на том же уровне, что и у ТБ-3. Удельные нагрузки на площадь крыла для ТБ-4 составляла 63.3 кг/мг, а на мощность силовой установки - 8,6 кгс/л.с. (для ТБ-3 - 78,3 кг/м2 и 7,4 кг/ л.с. соответственно).

Крыло ТБ-4 состояло из центроплана и двух отъемных частей. В отличие от АНТ-6 число лонжеронов в силовом наборе крыла сократилось до трех. Раскосы лонжеронов - клепаные из листового материала. Фюзеляж технологически делился на носовую с отъемным носком, хвостовую и среднюю части. По сравнению с АНТ-6, увеличился шаг волны гофра обшивки до 50 мм.

Особенность конструкции фюзеляжа - наличие двух больших бомбоотсеков длиною по 5 м и шириною около 2 м, расположенных за центропланом крыла. Такие крупные грузоотсеки в фюзеляже применили впервые в мировой практике самолетостроения.

Хвостовое оперение - аналогично АНТ-6. Киль и стабилизатор связывались между собой расчалками. Стабилизатор с регулируемым в полете с помощью электромотора углом установки. Рули высоты и поворота имели роговую компенсацию. Управление самолетом - жесткое, за исключением элеронов.

Колеса шасси диаметром 2 м устанавливались попарно на общей оси, а не тандемом, как на АНТ-6. и снабжались масляной амортизацией и тормозами. В хвостовой части фюзеляжа имелось пневматическое самоориентирующееся колесо. Предусматривалась установка на колеса обтекателей - штанов.

Силовая установка - шесть двигателей М-34 максимальной мощностью по 830 л.с. (номинальная - 750 л.с). Четыре двигателя - в носке крыла, а два - в тандемной установке на сварной раме над фюзеляжем.

Бензин размещался в шести баках в отъемных частях крыла и в двух центропланных. Стенки крайних баков одновременно являлись обшивкой крыла. Общая емкость топливной системы - 8500 л. Общая емкость масляной системы - 2000 л.

Тянущие винты крыльевых двигателей имели диаметр 3,18 м, тянущий винт тандемной установки - 3,3 м и толкающий - 3 м.

Для автономного питания бортовых систем самолета на нем впервые применили электростанцию с приводом от двигателя мощностью 16 л.с.

В систему оборонительного вооружения ввели пушки. Предлагавшаяся схема оборонительного огня была достаточно эффективна и практически не оставляла "мертвых" зон, в этом АНТ-16 был как бы предтечей будущих "летающих крепостей". Пушки размещались в носовой и задней за крылом фюзеляжных установках самолета. Пулеметы - в кормовой части фюзеляжа за хвостовым оперением, а также в специальных крыльевых башнях в передней и задней частях крыла (две установки для стрельбы вперед, две -для стрельбы назад).