Летающая лодка МДР-4 стала первой и единственной туполевской машиной такого класса, принятой на вооружение. Все остальные лодочные гидросамолеты, созданные этим коллективом, остались лишь опытными образцами. Строго говоря, лодка эта не совсем туполевская. Ее «родословная» происходит от самолета МДР-3, спроектированного в морской бригаде ЦКБ на заводе № 39 имени Менжинского под руководством И. В. Четверикова. Работы над новым дальним разведчиком велись там с весны 1930 года. Машина имела «фирменное» обозначение самолет «11» и военное МДР-3. В ее чертах просматривалось много общего с немецкими лодками Рорбаха и с туполевским АНТ-8 (МДР-2), но и отличий было немало. Толстое крыло лежало на лодке сверху, но являлось не свободнонесущим, а подкосным. Между двумя килями хвостового оперения находился стабилирон (эту идею, как и крыло, заимствовали у бомбардировщика ТБ-5). МДР-3 оснащался четырьмя немецкими моторами БМВ VI, размещенными тандемно в двух установках, каждая из которых располагалась над центропланом на невысоких фермах. Для обшивки крыла в основном использовалось полотно, и лишь центроплан сверху покрывался гофрированным дюралем. У концов центроплана крепились два поплавка, обеспечивавших поперечную остойчивость гидросамолета. Лодка выполнялась цельнометаллической. Конструкция являлась достаточно традиционной — силовой набор состоял из кильбалки, кильсонов, стрингеров и шпангоутов. К бортам должен был приклепываться фальшборт, предохранявший от повреждений при ударах о причал. Лодка делилась на шесть водонепроницаемых отсеков. В экипаж МДР-3 входили семь человек. Вооружение состояло из четырех установок со спаренными 7,62-миллиметровыми пулеметами ДА и двух 250-килограммовых бомб на наружной подвеске. В январе 1931 года модель МДР-3 испытывали в только что построенном гидроканале ЦАГИ. Результаты «протасок» обнадеживали. Обводы лодки подобрали удачно. Весной того же года началось изготовление первых узлов опытного образца самолета, а в декабре его постройку уже закончили. Первый полет совершил летчик-испытатель Б. Л. Бухгольц 15 января 1932 года. На борту находился и И. В. Четвериков. На заводских испытаниях МДР-3 неплохо вел себя на воде, оказался устойчивым в полете, посадка выполнялась без проблем. Но военных не могли удовлетворить малая скорость, низкая скороподъемность и небольшой практический потолок. Выявились и просчеты конструктивного порядка. В частности, воздушный поток от тандемных винтов вызывал тряску хвостового оперения. МДР-3 забраковали, хотя он уже закладывался в планы серийного производства — хотели строить до двухсот штук в год. Но поскольку машина имела целый ряд положительных качеств, таких как большая дальность и длительная продолжительность полета, конструкцию решили дорабатывать. Но эту работу поручили не Четверикову, а самому сильному тогда конструкторскому коллективу страны КОСОС ЦАГИ во главе с. Туполевым. Переделкой МДР-3 занялась бригада, руководимая И. И. Погосским. В КОСОСе имелись свои наработки по большой летающей лодке. В мае 1929 года Инспекция Гражданского воздушного флота предложила ЦАГИ свои требования к пассажирскому гидросамолету с тремя двигателями по 300 л. с. (подразумевались французский «Гном-Рон Титан» или американский «Райт» J6). С предварительным проектом заказчик смог ознакомиться уже в июле того же года. Это был свободнонесущий моноплан с тремя моторами, стоявшими на пилонах над центропланом. Два двигателя имели тянущие винты и один — толкающий. Но в целом требования ГВФ туполевцы сочли нереальными. Работы по этому проекту прекратились. В 1931–1932 годах разрабатывался военный вариант этой же конструкции с гораздо более мощными двигателями М-34 и всеми тянущими винтами. Это был морской разведчик-бомбардировщик, вооруженный пятью пулеметами, 20-миллиметровой пушкой и способный нести до 2000 килограммов бомб. Но дело опять ограничилось проектом. И вот в феврале 1933 года КОСОС приступил к проектированию модернизированного варианта МДР-3, получившего в ЦАГИ обозначение АНТ-27. Поскольку предусматривались очень большие изменения, то Управление ВВС (УВВС), в ведении которого тогда находилась морская авиация, тоже изменило обозначение машины на МДР-4.