Производство и помещения для инженерного персонала разместили недалеко от ЦАГИ в здании на углу Вознесенской и Немецкой улиц (теперь это улицы Радио и Бауманская). Задача нового подразделения, в состав которого вошел, в частности, цех по строительству опытных самолетов, заключалась в развитии испытательных технологий в интересах серийного производства. Проходит совсем немного времени – ив новом здании работает уже 185 сотрудников из 305 человек, состоявших в штате ЦАГИ. Здесь проектировалось и создавалось множество самолетов Туполева. В течение нескольких лет после организации экспериментальной базы Туполев работает над такими машинами, как АНТ-4/ТБ-1, истребитель АНТ-5 (1927), АНТ-7/Р-6 (1929), пассажирский самолет АНТ-9 (1929), четырехмоторный бомбардировщик АНТ-6/ТБ-3 (1930), АНТ-14 (1931).

Несмотря на огромную занятость текущей работой, Туполев стремится расширять знания и налаживать профессиональные связи за рубежом: в 1927 году он посещает Австрию и Италию, в 1928-м едет в Германию, в 1929-м – вновь в Германию, а также Францию, Австрию и Англию, в 1930 году – в США. В 1930 году Туполев назначается главным конструктором и начальником отдела АГОС и занимается подготовкой к созданию завода опытных конструкций (ЗОК) и расширению конструкторских подразделений.

В 1931 году по решению правительства была начата реорганизация развивающейся авиационной промышленности. Руководителем управления экспериментальной авиации ЦАГИ назначен Сергей Ильюшин, а его заместителем – Туполев. Надо сказать, что этот период вообще был отмечен частыми переводами промышленных отраслей из одного министерства в другое, и в результате новых веяний Туполев всего через четыре месяца возвращается на пост начальника управления.

Туполев продолжал настаивать на необходимости строительства испытательных самолетов, но при этом считал, что далеко не все испытательные конструкции должны идти в серию. На вопрос о том, стоит или нет начинать серийный выпуск самолета- торпедоносца МТ-1 конструкции Григоровича, Туполев ответил так: «Надо отказаться от мысли, что [все] испытательные самолеты должны запускаться в серийное производство. Идея испытания заключается в испытании. Пока что никому не удавалось перешагнуть через эволюцию техники». Неодобрительно относился Туполев и к покупке и копированию иностранных самолетов. «Они нам предлагают самолеты, которые уже показали хорошие результаты, иначе говоря, конструкции вчерашнего дня, не сегодняшние и, тем более, не завтрашние, которые пока лежат в портфелях конструкторов. Налаживание производства на наших заводах займет не меньше двух лет, и все кончится тем, что у нас вместо современных будут устаревшие самолеты». В то же время, чутко улавливая преимущества той или иной модели, Туполев с готовностью выступал в ее поддержку. Именно он, будучи главным инженером авиационного управления Наркомата тяжелой промышленности, одобрил и настоял на приобретении лицензии на производство в России самолета ДС-3 «Дуглас» и закупке т.н. плазово-шаблонной технологии. В итоге для Советского Союза и его союзников было выпущено 6157 самолетов Ли-2 (по фамилии главного инженера Лизунова, который производил доработку самолета).

В 1929 году по инициативе Туполева правительство приобретает лицензию на производство серии двигателей «Циклон» американской фирмы «Райт», которые составили основу для выпускавшихся вплоть до 90-х годов двигателей воздушного охлаждения АШ, усовершенствованных конструктором Аркадием Швецовым. Еще одна лицензия была приобретена на двигатели водяного охлаждения французской фирмы «Испано Сюиза».

В 1933 году Туполев избирается членом-корреспондентом Академии наук СССР. Это звание, выше которого стоит только титул академика, было и остается до сих пор одним из наиболее почетных в области науки и техники.

В тридцатые годы коллектив, возглавляемый Туполевым, конструирует и испытывает самолеты АНТ-20 («Максим Горький»), АНТ-25, АНТ-9, АНТ-6/ТБ-3, АНТ-40/СБ, АНТ-35 и АНТ-42/Пе-8. Опытные образцы этих и ряда других машин строятся на новом заводе. Замечательные конструкции самолетов еще больше закрепляют за Советским Союзом репутацию страны-лидера в области мировой авиационной техники.

Особое значение в судьбе Туполева имел 1936 год: 5 января он назначается главным инженером Главного управления авиационной промышленности (ГУАП) Наркомата тяжелой промышленности. Эта должность позволяет ему оказывать влияние на всю авиационную промышленность страны. 1 июля туполевский 156-й завод экспериментальных конструкций выделяется из ЦАГИ и становится самостоятельным предприятием. В этот же период за счет присоединения нескольких зданий по набережной Яузы значительно расширяются площади, занимаемые конструкторским бюро. Пройдет почти сорок лет, и когда А.Н.Туполева не станет, заводу будет присвоено имя его основателя.

Все хорошее, однако, имеет свойство проходить. Сталин насаждает в Советском Союзе режим собственной жесткой власти. Аномальный размах приобретает борьба за государственную безопасность: любого, даже неподтвержденного, предположения об измене было достаточно, чтобы сломать человеку карьеру, а часто – и лишить жизни. Исключения не делались и для видных деятелей политики, армии, промышленности и культуры: многие из них были казнены или упрятаны в лагеря. Это были черные дни в бурной истории России, когда внутренняя обстановка заставляла целый народ жить в постоянном страхе.

Поздним вечером 21 октября 1937 года Туполев был арестован прямо в своем рабочем кабинете. После допроса на Лубянке его поместили в камеру № 58 Бутырской тюрьмы. В камере, рассчитанной на четверых, содержалось сорок человек. Туполев проходил по 58-й статье Уголовного кодекса: подрывная и шпионская деятельность. Кто именно дал обвинительные показания на Туполева, остается неизвестным по сей день, но нужно учитывать, что жестокие пытки, которым подвергались в тот период арестованные, побуждали многих во имя облегчения собственных страданий свидетельствовать против других. Не исключено, что одной из причин ареста Туполева стало высказывание летчика Леваневского, который после неудачного перелета в Америку на самолете АНТ-25 заявил Сталину, что Туполев – враг народа и умышленно сорвал перелет (хотя после Леваневского эту задачу с успехом решили Чкалов и Громов). Обстановка на следствии приводит к тому, что Туполев признает себя виновным по самым немыслимым и бездоказательным пунктам обвинения.

Арест Туполева не остался незамеченным: по Москве поползли слухи о якобы совершенных им преступлениях. Говорили, что перед вылетом АНТ- 25 в Америку Туполев упрятал в лонжероны чертежи самолета, а затем продал их в Германию Мессершмитту, но американским секретным службам чертежи удалось вернуть. Подобные домыслы распространялись вплоть до 60-х годов, несмотря даже на такие доводы: ведь комплект чертежей самолета весил от 500 до 800 кг, и с таким весом АНТ-25 по тем временам ни за что не долетел бы до США. Достаточно вспомнить, что Громов вынужден был демонтировать с самолета даже аварийно-спасательное оборудование. Кроме того, работа по чертежам, выполненным советскими конструкторами, даже на советских заводах требовала применения соответствующих инструментов и оборудования. Наконец, вряд ли в 1937 году кто бы то ни было пытался улучшить собственные технологии при помощи устаревших чертежей, разработанных еще в 1932 году. Вскоре после ареста Туполева среди заключенных Бутырской тюрьмы оказалась и его жена Юлия. Ей суждено было выйти на свободу лишь весной 1940 года, спустя два года и четыре месяца. Пока родители находились в заключении, за детьми Туполевых – Алексеем и Юлей – присматривали друзья.