В годы гражданской войны Красной армии потребовались самоходные средства, способные передвигаться по глубокому снегу и перевозить бойцов с вооружением. Совет труда и обороны (СТО) предложил ЦАГИ построить аэросани для нужд Красной армии. Коллегия ЦАГИ приняла этот заказ.

А. Н. Туполев, вернувшись в 1921 году после болезни в авиационный отдел ЦАГИ, самостоятельно стал настойчиво внедрять металлические элементы в конструкцию разработанных аэросаней. Своими расчётами он доказал, что при этом снижается их вес на 20-30 % и повышается надёжность. Применение смешанной конструкции аэросаней полностью себя оправдало. На шести санях, построенных ещё в 1919—1920 годах, установили металлические лыжи. Они оказались надёжными, и сани с ними успешно эксплуатировались. В дальнейшем Туполев приступил к строительству цельнометаллических аэросаней, решая одновременно задачи, стоящие перед комиссией по цельнометаллическому самолётостроению.

Считая актуальным создание цельнометаллических гидросамолётов, А. Н. Туполев приступил к решению таких сложных задач, как борьба с коррозией металла на алюминиевой основе под воздействием морской воды и разработка технологии водонепроницаемых соединений (швов).

В октябре 1921 года под руководством Туполева началась постройка первого деревянного глиссера ГАНТ-1 для четырёх пассажиров. Его спроектировали по традиционной схеме для малых деревянных судов. В ноябре того же года Туполев сам провёл на Москве-реке испытание глиссера, оснащённого мотором «Изотта-Фраскини» мощностью в 260 л. с. с гребным винтом.

Испытания подтвердили правильность расчётов конструкторов, после чего можно было приступать к разработке глиссеров из кольчугалюминия. Постройка аэросаней и глиссеров давала возможность конструкторам сравнительно быстро изучить поведение в естественных условиях конструкций, подобных самолётным, освоить винтомоторные установки и другие отдельные сложные узлы, а также всесторонне испытать новый материал — кольчугалюминий.

Позже были построены первый цельнометаллический речной глиссер ГАНТ-2, первый в стране торпедный катер ГАНТ-3, затем ГАНТ-4 и ГАНТ-5 (Г-5).

В октябре 1922 года Высший совет народного хозяйства (ВСНХ) по предложению «Госпромцветмета», опиравшегося на работы авиационного отдела ЦАГИ, принял решение об образовании комиссии по постройке металлических самолётов под председательством А. Н. Туполева. Позже, накануне празднования 25-летия КБ, сам Туполев предложил считать датой образования конструкторского бюро 22 октября 1922 года.

Став председателем комиссии по металлическому самолётостроению, А. Н. Туполев добился развёртывания в стране производства кольчугалюминия и самолётных полуфабрикатов на специальных металлургических заводах.

Ещё в апреле 1922 года в авиационном отделе ЦАГИ под руководством Туполева начали проектировать одноместный самолёт АНТ-1. Это был маленький спортивный свободнонесущий моноплан смешанной конструкции — как первые аэросани и как первый глиссер. 21 октября 1923 года состоялся первый полёт АНТ-1. Таким образом, состоялось воздушное крещение первого самолёта конструкции А. Н. Туполева.

Опыт, накопленный авиационным отделом при проектировании аэросаней, глиссера и элементов самолётных конструкций, позволили Туполеву и его соратникам создать свой первый самолёт АНТ-2 с цельнометаллическим планёром из сплава «Кольчуга» с гофрированной обшивкой. 26 мая 1924 года лётчик Н. И. Петров поднял самолёт в воздух. Самолёт не был запущен в серийное производство.

А. Н. Туполев так писал о первом вылете АНТ-2: «День 26 мая 1924 года должен быть по справедливости отмечен в истории советской авиации. В этот день на Центральном аэродроме совершил свой первый вылет первый советский цельнометаллический самолёт.»

В 1925 году было завершено строительство очередного самолёта Туполева — двухместного разведчика АНТ-3 (Р-3). Самолёт представлял собой биплан с крыльями разного размаха и имел цельнометаллическую конструкцию с гофрированной листовой обшивкой. Большинство самолётов были оснащены двигателями Лоррейн Дитрих мощностью 450 л. с. Первый полёт был совершён в августе 1925 года. По освоенной серийной технологии было построено около 100 экземпляров Р-3 (АНТ-3). Большинство самолётов находилось на вооружении ВВС Красной Армии, но некоторые использовались в качестве почтовых самолётов и пропагандистских полётов. Самолёт имел максимальную скорость 205 км/час, был вооружён тремя пулемётами и мог нести 10 бомб весом по 10 кг на внешних подвесках. С этого самолёта началось международное признание конструкторского бюро А. Н. Туполева и ЦАГИ. После триумфальных полётов АНТ-3 по Европе и Японии мир узнал, что в СССР умеют строить самолёты из металла.

Вскоре Туполев создал двухмоторный бомбардировщик АНТ-4 по принятой им свободнонесущей (без расчалок и подкосов) монопланной схеме с толстым профилем крыла и загрузкой его двигателями, и топливом. Впервые в мировой практике А. Н. Туполев не только научно обосновал рациональность схемы свободнонесущего цельнометаллического моноплана с профилем крыла большой строительной высоты, с двигателями, расположенными в носке крыла, но и создал такой самолёт, не имевший аналогов. Эта схема через десять лет стала преобладающей в тяжёлой авиации мира, как наилучшая с аэродинамической точки зрения. Это был первый в мире двухмоторный цельнометаллический моноплан, запущенный в серийное производство. Последние экземпляры были выведены из эксплуатации в 1945 году.

В июле 1927 года поднялся в воздух одноместный цельнометаллический истребитель АНТ-5 (И-4). Поставки серийных самолётов И-4 начались в октябре 1928 года. Серийное производство завершилось в январе 1934 года после постройки 371 машины. Самолёт развивал максимальную скорость 231 км/час, потолок 7000 м, дальность полёта 840 км. Вооружение: два пулемёта калибра 7,7 мм, четыре бомбы весом по 50 кг.

АНТ-7 (Р-6) имел варианты назначения: разведчик, бомбардировщик, торпедоносец, трёхместный истребитель. Применялся, как дальний разведчик, самолёт сопровождения тяжёлых бомбардировщиков, многоместный истребитель. Первый опытный экземпляр был построен в сентябре 1929 года. Производство велось до 1936 года на нескольких заводах, за это время построили 407 самолётов разных модификаций. Эксплуатация закончилась в 1944 году. Это первый в мире самолёт, долетевший до точки Северного полюса.

Первым пассажирским самолётом Туполева стал трёхмоторный АНТ-9, который был рассчитан на перевозку девяти пассажиров. На одном из серийных АНТ-9, названном «Крылья Советов», был совершён большой перелёт с восемью пассажирами по маршруту Москва-Берлин-Париж-Рим-Марсель-Лондон-Париж-Берлин-Москва, преодолев 9037 км за 53 лётных часа. Серийное производство началось летом 1929 года. Итоги перелёта показали, что АНТ-9 — первоклассный самолёт, способный конкурировать с лучшими иностранными машинами своего класса. Один из старейших авиационных журналов «Flight» писал об АНТ-9: «Самолёт делает честь конструкторам и Советской России». АНТ-9 был выпущен серией в 100 машин.