У Туполева еще не было диплома, когда его пригласили заведовать гидропланным отделом Московского самолетостроительного завода «Дукс». В 1917 г. он возглавил расчетный отдел в авиационном расчетно-испытательном бюро Управления Воздушного флота. Когда решением советского правительства осенью 1918 г. был организован Центральный аэродинамический институт, Туполев занял в нем должность товарища председателя. Он приступил к конструированию самолетов в то время, когда в основном завершился первый этап их развития. В начале 1920-х гг. мировая авиация стояла перед выбором дальнейшего пути развития. Во всех странах шли горячие дискуссии между сторонниками бипланной и монопланной конструкции самолета, а также между приверженцами старых испытанных материалов («деревянщиками») и теми, кто отстаивал идею цельнометаллических самолетов («дюралюминщиками»). Туполев принадлежал к последним. Он был уверен, что только прочное, жесткое монокрыло открывает для тяжелой авиации перспективу роста скоростей, высоты, дальности полета, а также грузоподъемности. Между тем в Советском Союзе у цельнометаллической конструкции в начале 1920-х гг. нашлось множество противников. И действительно, дюралюминиевый самолет был на порядок дороже деревянного. Отечественный дюралюминий пока не производился, а технология изготовления деревянных самолетов была давно освоена. Утвердить свою точку зрения можно было лишь одним способом – создав совершенный самолет своей конструкции. Ответом Туполева оппонентам стал его моноплан АНТ-1.

Этот самолет Туполев и его помощники строили далеко не в идеальных, можно сказать кустарных, условиях. Финансовая поддержка со стороны государства оставалась минимальной, поэтому приходилось экономить буквально на всем. Двигатель собирали из деталей, привезенных со свалки. Тягу мерили динамометром, привешенным к хвосту машины. Прочность испытывали, усевшись небольшой компанией на лонжерон крыла. Собирать самолет пришлось на улице, под навесом, около бывшего трактира «Раек». Дюралюминия пока было мало и его расходовали очень экономно. В основном самолет состоял из дерева. Двигатель имел мощность 35 л.с., а полетная масса самолета составляла всего 360 кг. Но, несмотря на свои миниатюрные размеры, АНТ-1 в октябре 1923 г. совершил первый полет, а затем благополучно прошел все испытания.

Следующий самолет АНТ-2 (1924) строился наперекор «деревянщикам» целиком из металла. Посмотреть на это чудо – первый в Советском Союзе цельнометаллический самолет – приезжали представители из ВСНХ, Госплана, Академии наук и ВВС. Машина производила на всех большое впечатление. Испытание самолета весной 1924 г. стало великой победой Туполева. Именно тогда в него поверили. Его планы и идеи сразу нашли поддержку в ВСНХ и лично у Дзержинского. Вскоре были получены заказы руководства ВВС на создание цельнометаллического самолета-разведчика и цельнометаллического бомбардировщика. Значительно улучшилось финансирование. С кустарными условиями было покончено навсегда. Появившийся вскоре АНТ-3 оправдал все возлагавшиеся на него надежды. С этим самолетом связаны первые громкие успехи молодой советской авиации. В 1926 г. экипаж в составе Громова и Радзевича в течение трех дней облетел на АНТ-3 столицы Германии, Австрии, Франции и Польши. Появление этого цельнометаллического самолета в Европе явилось зримым свидетельством растущего могущества Советского Союза. В том же году Шестаков и Фуфаев на таком же самолете совершили перелет из Москвы в Токио и обратно.

Осенью 1925 г. был готов новый самолет АНТ-4, который под наименованием ТБ-1 был принят на вооружение советской армии и использовался в качестве тяжелого бомбардировщика. Для Туполева он стал этапной моделью. С АНТ-4 определяется специализация его КБ как разработчика и создателя тяжелых самолетов-бомбардировщиков. Кроме того, на этом АНТе впервые была опробована двухмоторная схема с расположением двигателей на крыльях.

В 1932 г. специально для дальних перелетов КБ Туполева разработало самолет АНТ-25, имевший очень длинные и узкие крылья, что позволяло уменьшить мощность двигателя и расход топлива. На этом самолете один за другим в 1937 г. экипажами Чкалова и Громова были поставлены мировые рекорды дальности полета. В 1934 г. появился восьмимоторный гигант АНТ-20 «Максим Горький» с размахом крыльев 63 м – в то время самый большой самолет в мире. Он использовался как пассажирский лайнер и как авианесущий транспортный самолет-матка (на крыльях его располагались два легких истребителя).

Вторая половина 1930-х гг. ознаменовалась для Туполева многими важными событиями. В 1936 г. его КБ вышло из состава ЦАГИ и было преобразовано в самостоятельный завод авиационной промышленности. Это произошло незадолго до начала грандиозной чистки, предпринятой Сталиным в рядах партии. В 1937 г. начались аресты сотрудников туполевского КБ по обвинению в шпионаже в пользу Германии. В октябре арестовали самого Туполева. С декабря 1937-го по июль 1941 г. он находился в заключении как «враг народа», хотя судьба его сложилась удачнее, чем у многих других наших соотечественников. Туполева не расстреляли, не обратили в лагерную пыль. В феврале 1939 г. он возглавил созданное при НКВД закрытое ЦКБ-29, все инженеры, конструкторы и сотрудники которого являлись такими же, как и он, заключенными, отбывавшими свой срок по обвинению в государственной измене. Это было специфическое порождение сталинской системы – институт-тюрьма, или «шарашка», как ее тогда называли.

Перед ЦКБ-29 была поставлена задача: создать пикирующий бомбардировщик, который при большой бомбовой нагрузке имел бы скорость не меньшую, чем у истребителя. Такой бомбардировщик к началу войны был разработан. Им стал Ту-2 (АНТ-58). Однако началу серийного выпуска Ту помешала война. Вскоре после ее начала Туполева реабилитировали и выпустили на свободу. Его КБ срочно эвакуировали в Сибирь, в Омск (где оно находилось до 1943 г.). Первые Ту-2 появились на фронте в 1942 г., а к 1944 г. их было произведено уже около 600. В то время по своим показателям они считались лучшими пикирующими бомбардировщиками в мире. В Советском Союзе Ту-2 стояли на вооружении вплоть до 1951 г., когда были заменены новым поколением Ту (в 1947 г. был испытан Ту-4, в 1948 г. началось его серийное производство).

В послевоенные годы перед авиационной промышленностью встала трудная задача – разработать и создать новые типы реактивных самолетов. КБ Туполева была поручена работа над скоростным реактивным бомбардировщиком. Переход к новым типам самолетов происходил постепенно и занял пять лет. Сначала на основе Ту-2 создали опытный реактивный самолет Ту-12. Но для достижения качественного скачка требовалось не просто заменить поршневой двигатель на реактивный, а принципиально переработать схему самого самолета. В том же 1948 г. разрабатывается бомбардировщик Ту-14. На летных испытаниях он уступил однотипному с ним бомбардировщику КБ Илюшина, который и был принят на вооружение. Туполеву поручили создавать скоростной бомбардировщик среднего радиуса действия. Одной из экспериментальных моделей на этом пути стал Ту-82 (1949) – первый советский бомбардировщик со стреловидным крылом. На его основе КБ разработало затем Ту-16, запущенный в серийное производство. Начало 1650-х гг. было отмечено целой серией удачных разработок Туполева для военной и гражданской авиации. Так, в 1952 г. был запущен в производство скоростной турбовинтовой межконтинентальный стратегический бомбардировщик-ракетоносец Ту-95, способный поражать объекты противника, не входя в зону его противовоздушной обороны.