В июле 1931 года был собран первый опытный самолёт АНТ-14, рассчитанный на перевозку 32 человек для сверхдальних перелётов по маршруту Москва — Владивосток. Использование узлов и агрегатов заимствованных у АНТ-6 позволило сократить время на постройку АНТ-14. Серийное производство АНТ-14 не было организовано. В 1933 году АНТ-14 был передан в агитэскадрилью имени Горького, где получил название «Правда». АНТ-14 совершил более тысячи полётов над Москвой и перевёз более 40 тысяч человек.

3 июля 1933 года совершил первый полёт тяжёлый бомбардировщик АНТ-16 (ТБ-4). Самолёт должен был обладать максимальной общей нагрузкой 18 т, дальностью полёта 2000 км, скоростью 200 км/час и практическим потолком 5000 метров. В конце 1933 года программа по АНТ-16 была свёрнута. Опытный АНТ-16 использовался для испытаний систем транспортировки лёгкой бронетехники.

В 1930 году в КБ велись работы по проектированию тяжёлого бронированного штурмовика АНТ-17. Общая масса брони достигала 1000 килограмм, однако в дальнейшем выяснилось, что из-за большой массы «неработающей» брони, получить требуемые лётно-технические данные не удастся и работы по штурмовику были приостановлены.

В 1932 году был введён в строй Завод опытных конструкций (ЗОК), одновременно КБ переехало в новое здание КОСОС — Конструкторского отдела сектора опытного самолётостроения (дом № 24 по улице Радио в Москве). К 1935 году сложилась достаточно стройная структура проектных подразделений КБ, с чётким разделением работ между ними по разным направлениям их деятельности. Отдельные бригады возглавляли ближайшие коллеги А. Н. Туполева: В. М. Петляков, И. И. Погосский, А. П. Голубков, П. О. Сухой, А. А. Архангельский, В. М. Мясищев и другие конструкторы, имена которых навсегда вошли в историю отечественного и мирового самолётостроения.

В конце 1932 года отмечалось 40-летие литературной деятельности Максима Горького. Редактор журнала «Огонёк», известный журналист Михаил Кольцов предложил в честь Горького построить огромный, невиданный по тем временам агитационный самолёт, самолёт-гигант. Начался сбор средств, трудящиеся страны внесли на строительство самолёта-гиганта шесть миллионов рублей (огромная сумма денег по тем временам). Первый полёт АНТ-20 состоялся 17 июня 1934 года. Самолёт оснащался восемью двигателями АМ-34ФРН и имел взлётную массу 42 тонны. На самолёте устанавливались автоматическая телефонная станция, пневмопочта, фотолаборатория, центральная электрическая станция и другое оборудование. Впервые в истории авиации на самолёте был применён переменный ток в 120 вольт — до этого электросистемы всех самолётов питались постоянным током. Огромные размеры самолёта позволяли размещать пассажиров не только в фюзеляже, но и в крыле, толщина которого в центральной части была более двух метров. Общая площадь «жилых помещений» самолёта достигала 100 м². 18 мая 1935 года в небе над Москвой произошла крупнейшая авиакатастрофа Истребитель И-5, сопровождавший АНТ-20 врезался в крыло самолёта. Взамен разбившегося самолёта было построено три самолёта такого же типа и размера, которые получают обозначение АНТ-20 бис.

В начале 1930-х годов конструкторами, под руководством А. Н. Туполева, был спроектирован и построен многоместный, многоцелевой истребитель АНТ-21 (МИ-3). Это был первый самолёт туполевского КБ с убирающимся шасси, но самолёт оказался сложным в управлении и в серийное производство запущен не был, хотя многие элементы конструкции были использованы при создании скоростного бомбардировщика АНТ-40.

Гидросамолёт АНТ-22 стал третьей летающей лодкой спроектированной и построенной в ЦАГИ, под руководством А. Н. Туполева. АНТ-22 (МК-1) был способен взлетать и садиться в открытом море при волне до 1,5 метров и ветре до 12 м/сек. Опытный образец эксплуатировался до 1937 года, на нём было установлено несколько мировых рекордов.

В июле 1931 года был построен пушечный истребитель АНТ-23 (И-12), который специально разрабатывался под динамореактивные пушки. При испытании самолёта произошёл взрыв, что привело к сильным повреждениям истребителя. В июне 1934 года все работы по АНТ-23 были прекращены.

22 июня 1933 года состоялся первый полёт самолёта АНТ-25 (РД). На нём применили убирающееся шасси, закрытые фонари кабины экипажа, гладкую обшивку фюзеляжа и зализы крыла с фюзеляжем, уменьшавшие аэродинамическое сопротивление. На АНТ-25 выполнен ряд рекордных полётов, в том числе знаменитые перелёты через Северный полюс в Америку экипажами Валерия Чкалова и Михаила Громова. АНТ-25 проектировался, как специальный рекордный дальний самолёт. В 1937 году самолёт пилотируемый лётчиком-испытателем М. М. Громовым совершил беспосадочный перелёт из Москвы в Сан-Франциско длиною в 11 500 км за 62 часа 17 минут. На базе АНТ-25 был серийно заказан, как дальний бомбардировщик, 16 экземпляров были поставлены к весне 1936 года, но производство остальных было отменено.

АНТ-26 (ТБ-6) стал дальнейшим развитием по проектированию гигантских тихоходных «бомбовозов». Проектировался, как самолёт, способный перевозить танки и орудия. В июле 1934 года все работы по проекту были прекращены, так как будущее дальнебомбардировочной авиации было за скоростными высотными тяжёлыми машинами.

В апреле 1934 года состоялся первый полёт морского дальнего разведчика АНТ-27 (МДР-4), после испытаний было принято решение о серийном производстве. В 1936 году гидросамолёт был официально принят на вооружение. Все собранные самолёты поступили на вооружение Черноморского флота.

14 февраля 1935 года совершил первый полёт самолёт АНТ-29 (ДИП-1). Проектирование самолёта велось бригадой под руководством П. О. Сухого. Самолёт проектировался как пушечный истребитель. В марте 1936 года все работы по самолёту были прекращены.

В 1933—1934 годах в КБ проектировался двухмоторный многоцелевой самолёт класса «воздушный крейсер», который получил обозначение АНТ-30 (СК-1), документация для строительства опытного экземпляра была передана в производство, однако все работы по самолёту были свёрнуты, так как было принято решение о переходе на более перспективный тип самолёта.

В 1936 году был сдан на испытания первый серийный самолёт АНТ-31 (И-14), он стал вторым после АНТ-5 истребителем, построенным в ОКБ А. Н. Туполева, ведущим проекта был назначен П. О. Сухой. В схеме самолёта было предусмотрено убирающееся шасси и закрытая кабина лётчика. Всего в авиачасти ВВС было передано 18 самолётов.

20 августа 1936 года впервые поднялся в воздух цельнометаллический пассажирский транспортный самолёт АНТ-35, который был создан на основе бомбардировщика СБ. В 1936 году опытный АНТ-35 демонстрировался на 15-й авиационной выставке в Париже. Всего было построено 11 самолётов. В эксплуатации самолёт находился до 1944 года.

В 1935 году началось серийное производство дальнего бомбардировщика АНТ-36 (ДБ-1) Самолёты изготавливались на заводе № 18 в Воронеже. Всего завод выпустил 18 машин АНТ-36, 10 из которых были переданы в эксплуатацию в ВВС. В 1937 году все самолёты АНТ-36 были законсервированы.

Дальний бомбардировщик АНТ-37 бис стал широко известен в 1938 году, под именем «Родина» он установил мировой рекорд с женским экипажем, пролетев без посадки маршрут из Москвы в Комсомольск- на-Амуре, преодолев 5947 км за 26 часов 29 минут.

Первый опытный скоростной бомбардировщик АНТ-40 (СБ) поднялся в воздух в октябре 1934 года. В лётные части советской военной авиации АНТ-40 стали поступать в 1936 году. Самолёт в составе лётных частей республиканцев участвовал в боях в Испании. В Испании действовало 210 этих самолётов укомплектованных полностью советскими экипажами. Ант-40 поставлялись в Китай, а также выпускались по лицензии в Чехословакии. К началу Великой Отечественной войны самолёты АНТ-40 считались уже устаревшими, однако они составляли основу советской фронтовой бомбардировочной авиации и использовались на всех фронтах до 1943 года.

АНТ-41 проектировался как самолёт-торпедоносец. Разработка началась в 1934 году бригадой В. М. Мясищева под общим руководством А. Н. Туполева. Первый полёт состоялся в июне 1936 года. Но 14-й полёт оказался роковым, началась сильная вибрация и машина буквально развалилась в воздухе. Хотя конструкторы сделали всё от них зависящее, чтобы обеспечить серийную постройку АНТ-41, выпуск его так и не был налажен.

В 1934 году бригада В. М. Петлякова под руководством А. Н. Туполева начала проектирование тяжёлого бомбардировщика АНТ-42 (ТБ-7) (Пе-8) для замены устаревшего ТБ-3. Самолёт проектировался как недосягаемый для лучших западных истребителей того времени. Во время войны бомбардировщики АНТ-42 участвовали в различных операциях В ночь с 9 на 10 августа две эскадрильи совершили свой первый налёт на Берлин. После войны эти самолёты в полярной авиации до 1950 года.

В конце 1937 года был передан на испытание морской тяжёлый бомбардировщик АНТ-44 (МТБ-2). Полёты на АНТ-44 (МТБ-2) показали, что этот тяжёлый гидросамолёт является одним из лучших в мире в своём классе. На нём было установлено несколько мировых рекордов по грузоподъёмности. Во время войны самолёт находился в составе авиации Черноморского флота, совершал бомбардировочные налёты на города Румынии и перевозил срочные грузы. В 1942 году самолёт потерпел катастрофу.

Летом 1935 года совершил первый вылет самолёт АНТ-46, который разрабатывался как дальний истребитель для прикрытия бомбардировщиков. В дальнейшем все работы по данному типу машин были прекращены и самолёт на государственные испытания не передавался.

В 1939 году на заводах в Харькове, Таганроге и Москве началось серийное производство лёгкого бомбардировщика-разведчика АНТ-51 (Су-2, ББ-1). Серийно АНТ-51 (Су-2) производился до 1942 года, всего было построено 877 самолётов, активно участвовавших в Великой Отечественной войне.

В 1936 году А. Н. Туполев назначен первым заместителем начальника и главным инженером главного управления авиационной промышленности «Наркомтяжпрома». Одновременно Туполев возглавил выделенное из системы ЦАГИ конструкторское бюро вместе с Заводом опытных конструкций (ЗОК), который затем был переименован в завод № 156 в системе НКТП, а затем в НКАП. Но проработать в новом качестве А.Н Туполеву пришлось недолго, в ночь на 22 октября 1937 года его арестовали.

А. Н. Туполев был необоснованно репрессирован и в 1937—1941 годах вместе со многими своими соратниками, находясь в заключении, работал в ЦКБ-29 НКВД, где был одним из четырёх главных конструкторов. В это время был создан фронтовой бомбардировщик «103» (Ту-2). С весны 1939 года в системе ОТБ НКВД сформировался тот костяк фирмы «Ту», которому отечественная авиация во многом обязана послевоенными успехами в области тяжёлого и, прежде всего, тяжёлого реактивного самолётостроения.