Сборка самолета АНТ-40-2 началась 15 мая 1934 г., через три недели после начала сборки первого прототипа. Второй прототип стал эталоном для серийного производства.

Прототип АНТ-40-2 имел ряд отличий в деталях or первого прототипа АНТ-40-1. Размах крыла увеличен с 19 м до 20,3 м. Увеличение размаха крыла вместе с увеличением хорды привело к росту площади крыла 46.3 м^2 до 52 м^2. Длина фюзеляжа увеличена с 12,3 м до 12,7 м. Емкость внутренних топливных баков – с 940 л до 1670 л. Топливо размещалось в четырех баках. Мотогондолы двигателей жидкостного охлаждения с установленными в них радиаторами стали длиннее. На АНТ-40-1 стояли трехлопастные воздушные винты Гамильтон, на АНТ-40-2 поставили двухлопастные винты В-100 советского производства.

Левый мотор Испано-Сюиза 12 Ybrs, снимок сделан в аэродинамической трубе ЦАГИ. Заслонки радиатора сделаны горизонтальными, ни серийных бомбардировщиках СБ- 2 с моторами М-100 они монтировались вертикально. На серийных машинах отверстие под вал винта вместо ромбовидной формы было сделано прямоугольным.

Пулемет ШК АС на турели ТУР-9. Из задних верхнего и нижнего пулеметов огонь вел воздушный стрелок. К бою фонарь кабины стрелка-радиста сдвигался для увеличения сектора обстрела верхнего пулемета. По иллюминатору овальной формы легко установить, что на фотографии – прототип АНТ-40-2, но аналогичные стрелковые точки имели серийные бомбардировщики СБ.

Для улучшения путевой устойчивости была увеличена хорда вертикального оперения. Круглые иллюминаторы в ботах фюзеляжа первою прототипа заменили на втором прототипе иллюминаторами овальной формы, это было сделано для улучшения обзора назад воздушному стрелку. Прототип АНТ-40-1 не имел вооружения, на втором прототипе в носу фюзеляжа поставили два пулемета ШКАС. Из пулеметов вел огонь штурман-бомбардир, для чего получил прицел ПМП-3. Хвостовая опора шасси и колесо хвостовой опоры были уменьшены в размерах.

Летчик-испытатель И.С. Журов выполнил первый полет на АНТ-40-2 30 декабря 1934 г. Заводские испытания продолжались до 21 января 1935 г. В ходе испытаний самолет показал максимальную скорость 368 км/ч на уровне моря и 430 км/ч на высоте 5000 м. Высоту 5000 м второй прототип набирал за 6,75 минуты. Летные характеристики АНТ-40-2 значительно превышали характеристики. оговоренные ВВС в тактико-технических требованиях.

Государственные испытания самолета АНТ-40-2 начались на аэродроме Кратово 8 февраля 1935 г, но в полете 3 марта 1935 г. произошел флаттер элерона. Несколько дней ушло на установление причины аварии и монтаж весовых компенсаторов. Испытания возобновились 9 апреля и продолжались до 17 июля 1935 г. Носовые пулеметы сняли, отверстия под них были зашиты металлом. После завершения испытаний АНТ-40-2 вернули на завод ЦАГИ для устранения выявленных дефектов. Повторно Государственные испытания второй прототип проходил с октября 1935 г. по апрель 1936 г. Вместо колес для полетов с заснеженного аэродрома шасси были снабжены лажами. После успешного прохождения Государственных испытаний АНТ-40-2 перелетел на аэродром Государственною авиационного завода № 22 в Филях.

Прототип АНТ-40 на лыжном шасси па Государственных испытаниях, которые проводились с октября 1935 г. по апрель 1935 г. В носовой части фюзеляжа самолета поставлена пара 7,62-мм пулеметов ШКАС.

АНТ-40-2 повторно был предъявлен на Государственные испытания 9 апреля 1935 г. после доработки элеронов на предмет предупреждения флаттера. Носовые пулеметы демонтированы, остекление кабины штурмана закрыто.

Еще до завершения постройки первого прототипа АНТ-40-1, советские авторитеты приняли решение о серийном выпуске нового бомбардировщика конструкции инженера Туполева. Александр А. Архангельский вместе со своими конструкторами был направлен на завод в Фили для развертывания серийного производства самолетов. Комплект конструктроско-технологической документации поступил на завод 20 февраля 1935 г. Согласно плану весной того же года заводу предстояло завершить серийный выпуск четырехмоторных бомбардировщиков ТБ-3 конструкции все того же инженера Туполева и начать выпуск самолетов СБ- 2-М-100. Труженики филевского предприятия столкнулись с целым букетом проблем, особенную сложность вызывала потайная клепка носков крыла и поверхностей управления. Использование заклепок двух типов сильно осложняло технологию производства. На первых самолетах нередкими были трещины обшивки в районах расположения заклепок.

Советская промышленность с трудом осваивала новую технологию, но в конечном итоге пришлось прибегнуть к помощи США. СССР закупил в Штатах 20 000 станков для своей авиапромышленности на сумму 70 миллионов американских долларов.

На серийных самолетах вместо моторов Испано-Сюиза второго прототипа, ставились 750-сильные двигатели Климова М-100. Мотор М-100 являлся советской копией Испано- Сюиза 12 Ybrs, на 30 л.с. менее мощной, чем его французский предшественник.

Самолет СБ-2-М-100 мог нести бомбовую нагрузку из двух 250-кг бомб ФАБ-250 или шести 100-кг бомб ФАБ-100. Оборонительное вооружение состояло из четырех пулеметов ШКАС. Два пулемета стояло в носовой части фюзеляжа у штурмана, третий – в верхней задней части фюзеляжа, четвертый – в нижней задней части фюзеляжа.

Масса пустого возросла с 3217 кг у АНТ-40-2 до 4060 кг у серийного СБ-2-М- 100. Размах крыла был увеличен с 20,3 м до 20,33 м, а длина фюзеляжа уменьшена с 12,7 до 12,3 м. Экипаж бомбардировщика состоял из трех человек: командира, штурмана и стрелка-радиста.

Имелся и ряд других отличий между прототипом АНТ-40-2 и серийным СБ-2-М- 100. Створки радиаторов двигателей, горизонтально расположенные на прототипе, на серийных машинах заменили вертикально расположенными. Отверстие под винт на прототипе было квадратным, на серийных самолетах – ромбическим. На серийных машинах не имелось трех выхлопных патрубков на нижних поверхностях мотогондол. Была увеличена площадь вертикального оперения серийных самолетов, перемещены аэронавигационные огни на крыле. В верхней части руля направления установлен весовой балансир. Триммеры элеронов уменьшены в размерах. На прототипе АНТ- 40-2 справа стояла только одна трубка Вентури, на серийных самолетах – две.