В конце 1937 г. в ЦАГИ были обработаны материалы исследовательских продувок СБ в аэродинамических трубах. Обработка результатов продувок позволила выработать рекомендации по улучшению аэродинамики самолета. Увеличению максимальной скорости полета в максимальной степени способствовало бы изменение формы масло- и водорадиаторов двигателей Климова М-103. Специалисты ЦАГИ направили результаты и анализ продувок Туполеву, где на основе научных данных были разработаны новые капоты моторов. Прототип, доработанный с учетом информации, полученной из ЦАГИ. получил обозначение СБ-2бис.

Прототип был переделан из СБ 2-М- 100А ранней постройки, на котором не имелось радиостанции и посадочной фары в носке крыла. Позже был построен второй прототип СБ-2бис-3 на основе стандартного серийного СБ-2-М-100А с трехлопастными воздушными винтами.

Па СБ2-М-100А у каждого двигателя имелся один большой масло- и водорадиатор с заслонками, радиатор и заслонки стояли перед мотором. Втулки винтов на СБ- 2бис-3 получили коки большего размера, который улучшили чистоту аэродинамических форм мотогондол. Радиаторы ставились под моторами, воздухозаборник изменяемого сечения монтировался перед радиатором. Воздухозаборники маслорадиаторов разместили в носках консолей крыла. Большие воздухозаборники карбюратора были установлены на правом и левом бортах капота.

Заводские испытания СБ-2бис-3 начались 1 ноября 1937 г., а завершились 17 января 1938 г. Испытания выявили ряд недостатков мотогондол новой конструкции. На решение всех проблем ушел почти год, после чего СБ-2бие-3 был рекомендован в качестве эталона для серийного производства.

Техники 1-го гвардейского минно-торпедного авиаполка Краснознаменного Балтийского флота подвешивают на ранний СБ-2-М- 103 контейнеры с жидким фосфором, 1943 г. Такие зажигательные авиабомбы советская авиация широко использовала в годы войны. Верх самолета камуфлирован пятнами черного и средне-зеленого цвета.

СБ-2 с моторами М-100А (ранний)

СБ-2 с моторами М-103 (ранний)

СБ-2 с моторами М-103 (поздний)