Осенью 1909 года в ИМТУ начиналось чтение нового курса – аэродинамики. Читал предмет Николай Егорович Жуковский. Спустя несколько месяцев под руководством Жуковского было сформировано в училище новое отделение. Уже в апреле 1910 года в стенах ИМТУ прошла первая воздухоплавательная выставка, организованная студентами. Среди экспонатов были масштабная модель построенного во Франции биплана «Антуанетт» и одна из первых аэродинамических труб, спроектированная и построенная Туполевым. Конструкция, получившая название «плоской аэродинамической трубы», предназначалась для предполетных испытаний новых разработок. Несколько позднее Туполев разработал аэродинамическую трубу круглого сечения, создание которой положило начало аэродинамической лаборатории при ИМТУ. Аэродинамические трубы Туполева эксплуатировались в училище вплоть до 1923 года.

После закрытия выставки Туполев и его товарищи по учебе приступили к постройке «весового планера». Используя теоретические разработки Лилиенталя, конструкторы предусматривали, что пилот управляет планером по тангажу и направлению при помощи веса собственного тела. Заметим, что этот принцип и поныне применяется в конструировании дельтапланов. Первые полеты новой конструкции состоялись в Лефортовском парке в Москве. Самая ранняя опубликованная фотография Туполева запечатлела его во время полета на одном из таких планеров в Лефортове, а появилась она на страницах первого выпуска «Бюллетеня Московского общества воздухоплавания» в 1910 году.

Учеба и работа в аэродинамической лаборатории ИМТУ прервались весной 1911 года. Власти обвинили Туполева в предоставлении своего домашнего адреса для переписки «городского объединенного комитета высших учебных заведений Москвы и Санкт- Петербурга». В связи с политической обстановкой, царившей в то время в России, 14 марта 1911 года Туполев был арестован и, несмотря на колоссальные усилия, предпринятые его учителем Жуковским, освобожден был лишь 21 апреля – в день похорон отца. Впоследствии арест заменили безвыездным поселением на хуторе Пустомазово. (Туполев никак не участвовал в надвигавшейся революции 1917 года, хотя, безусловно, знал о ней. Как и большинству его односельчан, Туполеву оставалось лишь принять ее исход.) В конце 1912 года Туполев обращается с прошением о восстановлении в ИМТУ. Прошение удовлетворили, но приступить к занятиям удалось лишь с февраля 1914 года по окончании срока ссылки в Пустомазове. Кроме того, необходимо было поддерживать мать и младшую сестру.

В 1916 году было образовано авиационное расчетно-испытательное бюро, которое возглавил Жуковский. Туполева назначили заместителем руководителя бюро, ответственным за лабораторные установки и оборудование. Бюро выполняло большую работу по расчетам аэродинамических нагрузок и экспериментальным разработкам в области конструкций самолетов.

По окончании учебы 11 июня 1918 года Туполев получает звание инженера-механика. Тема дипломного проекта формулировалась так: «Проектирование гидроплана на основании испытаний в гидротрубах». В том же году на II Всероссийском авиационном съезде Жуковский, считающийся отцом русской авиации, дал высокую оценку работе своего ученика: «Гидроплан, представленный нашим инженером Туполевым, представляет выдающееся исследование, – как он поднимается с воды, как садится на воду, и благодаря исследованию молодого ученого, который воспользовался английскими опытами, это дело вполне выяснилось. Если бы эти исследования были напечатаны, то они составили бы славу для русской ученой авиации…»

К 1920 году Императорское училище было переименовано в Московское Высшее техническое училище (МВТУ), и Туполев читал здесь курс лекций «Основы аэродинамических расчетов».

А.Н.Туполев в своем рабочем кабинете под портретом Н.Е.Жуковского. Из собрания М.Саукке

Спустя два года, в 1918 году, Жуковский и Туполев в документе, озаглавленном «Положение о ЦАГИ» (Центральный аэрогидродинамический институт) представили в новое правительство России свои предложения по созданию центра для исследования проблем аэродинамики. Предложения были одобрены, и 1 декабря 1918 года было решено разместить лаборатории ЦАГИ в нескольких километрах от Кремля на улице Радио (в то время – Вознесенская) близ набережной реки Яузы. Туполеву поручалось создание исследовательской и испытательной, иначе говоря – экспериментальной базы института.

К середине 1919 года штат ЦАГИ насчитывал тридцать три человека, включая Жуковского и Туполева. Самым крупным подразделением института стал авиационный отдел, в котором над различными проектами трудилось шесть сотрудников. В этот период у Туполева ухудшилось здоровье: беспокоили легкие. Врачи признали у Андрея Николаевича плеврит и пришли к выводу, что заболевание способно перерасти в неизлечимый в те времена туберкулез. По рекомендации медиков, которые настаивали на смене климата, Туполев осенью 1919 года уезжает в Крым и весь следующий год работает санитаром в одном из санаториев. В Крыму, где пришлось заниматься и проблемами курортного дела, Туполев пробыл до конца 1920 года.

Вскоре после возвращения в Москву Туполев женится на девушке, с которой знаком уже шесть лет: встретились они еще когда Туполев, будучи студентом, подрабатывал «медбратом» в одной из московских больниц. Юлия Николаевна Желтякова работала в той же больнице медсестрой. Эта сильная женщина щедро поделилась с Туполевым своей жизненной силой, которая была так необходима Андрею Николаевичу во все последующие годы. Со дня свадьбы и вплоть до 1952 года Туполевы жили в Москве в доме 29 по Каляевской (ныне – Долгоруковская) улице.

5 апреля 1921 года сотрудники ЦАГИ голосуют за избрание Туполева заместителем Н.Е.Жуковского.

Отныне его должность называется «товарищ директора», т.е. заместитель. Андрей Николаевич приступает к работе по внедрению легких металлов в конструкцию самолетов. Позднее это направление деятельности сыграет важнейшую роль в развитии самолетостроения. Несмотря на значительное сопротивление, оказываемое сторонниками деревянных конструкций, к которым присоединились и деятели деревообрабатывающей промышленности, Туполев упорно отстаивает свою линию. В первую очередь необходимо было определить технические характеристики металлов, их сорта и качественные показатели, хотя практически сразу стало ясно, что главным материалом будет дюралюминий. Работа требовала точных расчетов прочности и свойств каждого металла и создания соответствующих производств.