В первой половине 1930-х годов основу советской бомбардировочной авиации составляли самолеты ТБ-1 и ТБ-3, разработанные под руководством А.Н. Туполева.
Самолеты Т.Б-1 рассматривались как средние, а ТБ-3 - как тяжелые дальние бомбардировщики. Ко времени принятия на вооружение летно-тактические данные этих машин были достаточно высокими. Однако быстрые темпы развития авиационной техники, увеличение скоростей полета боевых самолетов, особенно истребителей, общее повышение эффективности средств противовоздушной обороны потребовали уже в 1932— 1933 гг. начать исследовательские и опытно-конструкторские работы над новыми типами среднего и дальнего бомбардировщиков, способных заменить ТБ-1 и ТБ-3 во второй половине 1930-х годов. Создание новых среднего и дальнего бомбардировщиков было включено в план опытного строительства на 1934-1935 гг.
Работы над этими самолетами велись под руководством А.Н. Туполева, в конструкторском бюро которого в 1933-1934 гг. началось проектирование среднего скоростного бомбардировщика СБ (АНТ-40) и сразу двух вариантов дальнего бомбардировщика - ДБ-1 (АНТ-36) и ДБ-2 (АНТ-37). Последние разрабатывались на основе концепции, реализованной в дальнем рекордном само-лете РД (АНТ-25). Если при создании СБ решалась задача достижения максимально высокой для того времени скорости, что совпадало с общей тенденцией развития авиационной техники, то задание на дальний бомбардировщик ДБ-1 предусматривало крейсерскую скорость его полета всего лишь около 200 км/ч. При этом требования подчеркивали следующую, характерную для начала 1930-х годов, последовательность важности летно-технических данных: дальность, высота и лишь затем - скорость полета. Однако вскоре летно-тактические данные бомбардировщика ДБ-1 были признаны слишком низкими для машины, которая будет состоять на вооружении ВВС во второй половине 1930-х годов. Требования пересмотрели, и осенью 1934 г. коллектив Туполева получил задание на постройку дальнего бомбардировщика ДБ-2. Эта машина должна была нести 1000 кг бомб на дальность не менее 3000 км и на расчетной высоте обладать максимальной скоростью полета не менее 350 км/ч.
С. В. Ильюшин, внимательно следивший за развитием военной авиационной техники и хорошо осведомленный о новейших работах в области истребительной авиации (в ЦКБ в это время велись работы над истребителями И-16 и И-17), считал, что из-за увеличения скорости перспективных истребителей до 450 км/ч дальний бомбардировщик с заданной максимальной скоростью полета будет малоэффективным при действии против хорошо защищенных различными средствами противовоздушной обороны тыловых объектов противника.
В плане работ ЦКБ завода № 39 с весны 1933 г. числилось задание на создание ближнего бомбардировщика ББ-2 смешанной конструкции из дерева и металла, который должен был иметь дальность полета 1500 км с бомбовым грузом 500 кг и максимальную скорость 400-450 км/ч. По сути это задание дублировало программу создания скоростного цельнометаллического бомбардировщика СБ.
Одной из главных проблем создания самолета ББ-2 являлось отсутствие в то время в Советском Союзе подходящих двигателей. В начале 1930-х годов было освоено серийное производство только одного мощного отечественного двигателя М-34 жидкостного охлаждения, созданного под руководством А. А. Микулина. Однако М-34 первых серий предназначались для установки на тяжелые бомбардировщики ТБ-3 и не отвечали многим требованиям для более легких скоростных самолетов: они были тяжелы, не имели в то время высотного нагнетателя и редуктора, требовалось улучшить их экономичность. Проблема двигателя была общей для всех перспективных боевых самолетов, разрабатывавшихся в первой половине 1930-х годов в Советском Союзе, и она волновала не только конструкторов, но и высшее политическое руководство страны.
5 августа 1933 г. С. В. Ильюшин был вызван к наркому обороны К.Е. Ворошилову. В приемной он встретил начальника ВАО П.И. Баранова, начальника ВВС Я.И .Алксниса, А.Н. Туполева и его заместителя И.И. Погосского. Выйдя к собравшимся и не говоря ни слова о цели встречи, К.Е. Ворошилов предложил всем пройти к ожидавшим их машинам. Выехав со двора наркомата, машины помчались за город, на дачу Сталина, где состоялось совещание по авиационным вопросам. Сначала обсудили вопрос о выпуске летающих лодок на одном из заводов, а затем перешли к главному - как решить проблему создания легких и мощных двигателей воздушного и жидкостного охлаждения. П. И. Баранов предложил закупить лицензии на производство в СССР лучших зарубежных двигателей. Суждения всех сводились к одному: целесообразно сделать это как можно скорее. Тут же была предложена комиссия для поездки за границу, в которую вошли, в частности, С.В. Ильюшин и В.Я. Климов. Сталин подвел итог: «Комиссии без лицензии не приезжать!».
Результатом работы комиссии стала покупка во Франции лицензии на производство двух типов высотных двигателей: двигателя жидкостного охлаждения «Испано-Сюиза» 12Ybrs мощностью 780 л.с. и двигателя воздушного охлаждения Гном-Рон «Мистраль-Мажор» K-14drs мощностью 800 л.с. Их предполагали установить на перспективные боевые самолеты, разрабатывавшиеся в ЦКБ и КОСОС ЦАГИ. Оба типа двигателей, по мнению советских специалистов, имели значительный потенциал повышения мощности. Над развитием двигателя «Испано-Сюиза» (в СССР ему дали обозначение М-100) стал работать коллектив В. Я. Климова на заводе № 26 в Рыбинске, а совершенствованием двигателя «Мистраль-Мажор» (М-85) занялся А.С. Назаров на заводе № 29 в Запорожье.
С появлением в начале 1934 г. двигателей М-100 и М-85 работы над новыми самолетами значительно ускорились, и уже в конце года два опытных самолета СБ, один из которых был оснащен двигателями «Испано-Сюиза» 12Ybrs, уже выполняли полеты по программе заводских летных испытаний.
Считая, что заложенные в СБ конструкторские решения обеспечат выполнение требований, предъявляемых к самолету ББ-2, С. В. Ильюшин по собственной инициативе принял решение о проведении в рамках программы создания ББ-2 исследований по скоростному дальнему бомбардировщику с двигателями М-85 и с максимальной скоростью на расчетной высоте не менее 400 км/ч (в то время для дальнего двухдвигательного самолета такая скорость считалась очень большой). Принятию этого решения способствовало и то обстоятельство, что в соответствии с требованиями ВВС и скоростной (ближний), и дальний бомбардировщики должны были иметь одинаковый состав экипажа из трех человек, а также одинаковое стрелковое оборонительное вооружение.
В процессе работы над проектом ББ-2 были изучены особенности различных схем самолета, рассмотрена возможность создания на базе его конструкции пассажирского варианта, выбраны наивыгоднейшие параметры машины. Эти исследования показали, что скоростной дальний бомбардировщик может быть создан на основе традиционной схемы двухдвигательного свободнонесущего низкоплана с высоким уровнем аэродинамического и весового совершенства, с двигателями М-85, которые имели относительно небольшой вес, сравнительно малый мидель и хорошую экономичность.
Требуемое аэродинамическое и весовое совершенство скоростного дальнего бомбардировщика достигалось применением ряда новых решений, которые по предложению С.В. Ильюшина были заложены в параметрах и конструкции этого самолета.
Характерной особенностью данных самолетов, создававшихся в первой половине 1930-х годов, являлось применение на них крыла с низкой удельной нагрузкой на площадь и с большим геометрическим удлинением, которое обеспечивало значительное снижение индуктивного сопротивления и в результате этого увеличение дальности полета. С. В. Ильюшин считал, что достичь большой дальности можно и при крыле с умеренным геометрическим удлинением, так как доля индуктивного сопротивления, зависящая от подъемной силы крыла, уменьшается на малых углах атаки, характерных для полета на высокой скорости. Снизить возросшую при этом долю профильного сопротивления можно было применением тонкого двояковыпуклого профиля, а также сокращением площади крыла вследствие увеличения удельной нагрузки на него. В связи с этим для скоростного дальнего бомбардировщика было спроектировано крыло, параметры которого в то время для самолета такого назначения были несколько необычны. Оно имело сравнительно небольшое геометрическое удлинение, довольно высокую удельную нагрузку на площадь и компоновалось из профилей Кларк Y-15 с относительной толщиной 16% в корне и 10% на конце крыла. Однако такое крыло с большой удельной нагрузкой на площадь могло ухудшить взлетно-посадочные характеристики нового самолета. Поэтому, для увеличения несущей способности крыла самолета на нем предусматривалось применение взлетно-посадочной механизации: на нижней поверхности задней части крыла устанавливались щитки типа Цап (по первым буквам фамилии американского инженера Цапарка, начавшего изучение щитков этого типа в 1930 г.), которые при своем отклонении вниз увеличивали подъемную силу крыла. Особенностью щитка Цап являлась скользящая вдоль хорды профиля крыла ось вращения, что позволяло увеличивать не только кривизну профиля крыла, но и его хорду, то есть - площадь крыла. Принятые решения обеспечивали самолету С.В. Ильюшина на малых углах атаки меньшее суммарное (индуктивное и профильное) лобовое сопротивление по сравнению, например, с крылом аналогичного по назначению самолета ДБ-2 (АНТ-37), которое отличалось большим удлинением и малой удельной нагрузкой на площадь. Высокому для своего времени аэродинамическому совершенству самолета С. В. Ильюшина способствовали также применение убирающихся основных опор самолета, гладкой работающей обшивки планера и зализов в месте стыка фюзеляжа с крылом, удачное капотирование двигателей М-85, предельно малый мидель фюзеляжа (1,7 м2), внутренняя подвеска в фюзеляже заданной бомбовой нагрузки (1000 кг).
Выбранные параметры крыла и большая удельная нагрузка на его площадь способствовали улучшению весовых характеристик самолета. Небольшое удлинение позволило увеличить жесткость крыла и тем самым повысить критическую скорость флаттера, с которым тогда уже начинали сталкиваться скоростные самолеты. Снижение веса крыла достигалось также разгрузкой его концевых частей топливными баками, выполненными в виде герметичных отсеков крыла. Эти баки стали про образом современных кессон-баков, нашедших широкое применение на реактивных самолетах, в том числе и на многих самолетах ОКБ имени С. В. Ильюшина. Вес планера был уменьшен и в результате рационально спроектированной силовой схемы фюзеляжного бомбоотсека, расположенного за кабиной пилота на участке между передним и задним лонжеронами центроплана крыла. Особенностью бомбоотсека являлась установка кассетных держателей для подвески заданных техническими требованиями десяти 100-килограммовых бомб не на боковых стенках правого и левого бортов фюзеляжа, как это обычно делалось, а по оси симметрии самолета. Такое решение позволило несколько уменьшить мидель фюзеляжа. В качестве окантовывающих элементов выреза под бомбоотсек использовались силовые шпангоуты стыка фюзеляжа с лонжеронами центроплана, а также осевая и бортовая нервюры центроплана, на которых дополнительно могли быть установлены балочные держатели для наружной подвески бомб крупного калибра. На держатель, установленный по осевой нервюре, можно было подвешивать бомбу или торпеду весом до 1000 кг, а на держатели на бортовых нервюрах, - по бомбе весом до 500 кг. Это позволяло самолету в перегрузочном варианте, при его использовании в качестве ближнего бомбардировщика, иметь максимальный бомбовый груз 2500 кг. Однако при наружной подвеске бомб скорость самолета снижалась на 10%.
В соответствии с заданием параметры фюзеляжа самолета позволяли разместить на борту экипаж из трех человек: летчика, штурмана и стрелка-радиста. Педали и ручку управления самолетом предполагалось установить также в кабине штурмана, чтобы при выдерживании боевого курса или выходе из строя летчика штурман мог взять управление самолетом на себя. Оборонительное вооружение самолета должно было состоять из трех подвижных пулеметов ШКАС калибра 7,62 мм конструкции- Б. Г. Шиитального и И.А. Комарницкого - в то время самых скорострельных пулеметов в мире. Переднюю полусферу защищал пулемет штурмана, размещавшегося в носовой части фюзеляжа. Атаки истребителей противника со стороны верхней и нижней частей задней полусферы отражал из задней кабины стрелок-радист с помощью верхнего турельного и нижнего люкового пулемета на шкворневой установке.
29 августа 1934 г. Я. И. Алкснис утвердил согласованные с конструкторами технические требования к самолету. Коллектив бригады № 3 приступил к разработке чертежей для постройки макета и опытной машины. Рабочие чертежи создавались под руководством Б. Ф. Ляпина (силовая установка), П. М. Хавкина (крыло), Н. И. Максимова (оперение), И.Л. Макарова (фюзеляж),
A.Я. Левина (шасси и управление), Я.И. Мальцева (вооружение), М.И. Никитина (оборудование). Расчеты по аэродинамике возглавлял П.М. Кантор, а по прочности - B. В. Калинин. Работа шла очень интенсивно, было налажено социалистическое соревнование между группами конструкторов. И оно не было формальным: победители соревнования награждались ценными подарками - мраморным письменным прибором, мельхиоровым кофейным сервизом, охотничьим ружьем, именными часами.
29 декабря 1934 г. комиссия под председательством начальника штаба ВВС В.К. Лаврова утвердила макет ББ-2. Строившийся одновременно с макетом опытный самолет получил обозначение ЦКБ-26.