Việc phát triển chiếc Pe-8 được tiến hành bởi một đội dưới sự lãnh đạo của Vladimir Petlyakov tại Tupolev OKB với tên gọi ANT-42 vào tháng 7 năm 1934 để đáp ứng yêu cầu về một loại máy bay ném bom hạng nặng tầm xa, độ cao lớn thay thế chiếc máy bay ném bom hạng nặng TB-3.[1] Chiếc máy bay hoàn thành là một máy bay cánh đơn bốn động cơ, có trục đỡ giữa cánh được đặt tên định danh TB-7 (tiếng Nga: Тяжёлый Бомбардировщик, Tyazholy Bombardirovschik, Máy bay ném bom hạng nặng) bởi VVS và giống với chiếc Tupolev SB hơn là TB-3.[2] Nó được làm chủ yếu bằng dura, với hai thanh chống thép ở cánh, dù các cánh nhỏ được phủ vải bạt. Kiểu thân monocoque hình quả lê buộc các phi công phải ngồi theo hàng dọc, để chỗ bên trái cho kỹ sư máy và người điều hành radio ngồi phía sau và bên dưới các phi công. Người phụ trách ném bom ngồi ở mũi tại một khoang phía dưới, được đặt tên hiệu là 'râu', và một tháp súng được trang bị pháo ShVAK 20mm có góc xoay 120° phía trước. Pháo thủ phía lưng ngồi phía sau ATsN được che bằng một cửa kéo với súng máy ShKAS 7.26mm và một ShKAS khác được lắp ở cửa bụng. Pháo thủ đuôi có một tháp súng quay với một ShVAK, và hầu như luôn luôn là một pháo ShVAK điều khiển tay ở phía sau mỗi vỏ trong động cơ. Lối vào các vị trí đó hoặc qua cánh hay bằng một cửa sập ở mặt trên cánh. Khoang bom rộng có các máng lớn có thể mang tới 4000 kg bom cũng như các máng ngoài cho bom FAB-500 nặng 500 kg dưới mỗi cánh.[3][4] Khoảng không cho một động cơ thứ năm, động cơ phụ Klimov M-100 được để dành bên trong thân, trong một bộ phận phụ phía trên các thanh đỡ cánh và phía sau các phi công, cung cấp năng lượng cho một máy siêu sạc để cung cấp không khí điều áp cho các động cơ Mikulin AM-34FRN, với việc lắp đặt ATsN-2 (Agregat tsentral'novo nadduva - central boosting unit).[5]

Chuyến bay đầu tiên của chiếc nguyên mẫu thứ nhất không trang bị vũ khí, không lắp đặt ATsN, diễn ra tại Sân bay Khodynka ngày 27 tháng 12 năm 1936 do phi công M. M. Gromov thực hiện.[6] Hệ thống ATsN được lắp đặt trong các phiên thử nghiệm để có sự chấp nhận của nhà nước vào tháng 8 năm 1937 và các động cơ AM-34RNB mạnh hơn cũng được trang bị trong các cuộc thử nghiệm.[7] Hệ thống làm mát động cơ đã được sửa đổi để giải quyết vấn đề khí động học của các vỏ động cơ ngoài bằng cách rời các bộ tản nhiệt vào sâu bên trong. Đuôi lái được thiết kế lại với một lớp vỏ mượt hơn và lớn hơn.[8]

Một nguyên mẫu thứ hai bắt đầu tháng 4 năm 1936 được sửa đổi theo những bài học từ chiếc máy bay đầu tiên và các yêu cầu của Không quân Liên Xô. Thân được mở rộng thêm 100mm, 'râu' cũng được nới rộng, và phần đuôi được sửa đổi. Hệ thống điều khiển cũng được sửa lại, một thiết bị lái tự động được trang bị và hệ thống điện cũng được thiết kế lại. Các động cơ được đổi thành loại AM-34FRNV và một khung gầm được thiết kế lại cũng được lắp đặt. Hệ thống giáp bảo vệ được sửa đổi và hai bình nhiên liệu nữa được thêm vào. Trang bị vũ khí được đổi và gồm súng ShKAS kép, các tháp súng tại vỏ và đuôi và một tháp súng phía lưng với một ShVAK; súng ở bụng bị loại bỏ. Khoang bom được sửa đổi để cho phép mang một quả bom FAB-5000 5000 kg duy nhất và những dự phòng cũng được thêm vào cho trường hợp mang thiết bị phát tán hơi độc VAP-500 hay VAP-1000 bên dưới cánh.[8]

Những vụ bắt giữ Andrei Tupolev và Petlyakov tháng 10 năm 1937 trong cuộc Đại thanh trừng đã làm chương trình hầu như ngừng lại và nguyên mẫu thứ hai mãi tới ngày 26 tháng 7 năm 1938 mới cất cánh.[9] Nguyên mẫu thứ hai được dùng làm cơ sở cho các máy bay sản xuất hàng loạt, nhưng những thay đổi nữa vẫn được thực hiện với trang bị vũ khí. Tháp pháo lưng bị đổi thành một MV-6 với một ShVAK có thể thu lại được, một ShVAK khác trong một tháp pháo đuôi KEB và một súng máy Berezin UBT 12.7mm tại mỗi bệ pháo ShU ở mỗi vỏ trong động cơ. Những thay đổi khác gồm việc loại bỏ 'râu' và thêm một bình nhiên liệu nữa.[9] Việc sản xuất rất chậm chạp vì nhiều lý do, không chỉ sự ngừng trệ chung của ngành công nghiệp hàng không bởi cuộc Đại thanh trừng. Dù những chuẩn bị đã được thực hiện ngay từ năm 1937 tại Nhà máy số 124 ở Kazan lệnh bắt đầu sản xuất mãi tới năm mới được đưa ra 1939.[7]

Việc sản xuất hệ thống ATsN không thể được tổ chức ở quy mô công nghiệp và chỉ bốn chiếc máy bay đầu tiên được trang bị nó. Quyết định đưa ra là cứ tiến hành sản xuất mà không có nó, nhưng việc cung cấp các động cơ AM-34FRNV nừng lại khi việc sản xuất động cơ chấm dứt ở nửa cuối năm 1939 và chỉ hai hay bốn chiếc TB-7 được trang bị động cơ này. Việc loại bỏ động cơ Klimov M-100 có ATsN-2 cho phép một chỉ huy và sĩ quan radio được xuất hiện thay thế vào chỗ của nó.[9] Nhà máy số 124 được ra lệnh ngừng dây chuyền sản xuất TB-7 đầu năm 1940 trong khi những động cơ thay thế đang được đánh giá.[10]

Sáu chiếc máy bay không có động cơ được lắp đặt động cơ Mikulin AM-35A trong năm 1940 và cả động cơ máy bay diesel Charomskiy ACh-30 và Charomskiy M-40 đều được đánh giá. Tất cả 18 chiếc TB-7 được chế tạo tới cuối năm 1940 được trang bị lại với động cơ AM-35A. Ít nhất 9 chiếc TB-7 được trang bị các động cơ diesel vào năm 1941, nhưng không động cơ diesel nào đạt yêu cầu, dù làm gia tăng đáng kể tầm hoạt động của máy bay, và toàn bộ những chiếc TB-7 còn lại đều được trang bị lại động cơ AM-35A vào cuối năm 1941. Việc sản xuất tiếp tục tại Nhà máy số 124, nhưng với tốc độ rất thấp, hầu hết các nguồn tài nguyên của nhà máy đều đã được dành cho chiếc Petlyakov Pe-2 được ưu tiên lớn hơn. Hầu hết những chiếc máy bay đó, đều được đặt lại tên định danh Pe-8 sau khi Petlyakov bị thiệt mạng trong một vụ đâm máy bay Pe-2 ngày 12 tháng 1, được sản xuất với AM-35A, dù nó đã ngừng sản xuất từ năm trước đó để nhường chỗ cho động cơ Mikulin AM-38 được sử dụng trên chiếc Ilyushin Il-2.[11]

Động cơ xuyên tâm 1,380 kW (1,850 hp) Shvetsov ASh-82 đã được đề xuất như một thay thế để làm giảm tình trạng thiếu hụt động cơ và nó được đưa vào sản xuất cuối năm 1942. Cách bố trí cửa thoát khí của ASh-2 không tương thích với các khẩu súng ở phía sau vỏ động cơ và nó đã bị huỷ bỏ. Một thay đổi khác cuối năm 1943 là việc loại bỏ tháp súng mũi với khẩu súng máy điều khiển tay ShKAS thành một mũi có hình dáng khí động học hơn. Phiên bản này chúng minh có tầm hoạt động tương tự các phiên bản dùng động cơ diesel, nhưng độ tin cậy được cải thiện nhiều. Tổng số lượng chế tạo TB-7/Pe-8 là 93 chiếc.[12]