Первый пикирующий-бомбардировщик самолёт Ту-2 совершил полёт в январе 1941 года. Серийный выпуск начинается в феврале 1942 года и до конца года выпускают 80 самолётов, после этого серия прекращается. в 1943 году после Курской битвы, принимается решение по восстановлению серийного выпуска Ту-2 на другом заводе. За время войны было выпущено 1216 самолётов, а после окончания войны самолёт продолжает выпускаться серийно ещё в течение семи лет. Всего было выпущено 2527 машин в разных модификациях. За создание Ту-2 многие работники КБ и серийных заводов в 1944 году получили правительственные награды. А. Н. Туполев в 1943 году получил Сталинскую премию, в 1944 году орден Отечественной войны и Орден Суворова, ему были присвоены звание генерал-майора и в 1945 году звание Героя Социалистического Труда.

На протяжении всех 1418 дней Великой Отечественной войны экипажи частей Красной армии сражались на самолётах, созданных под руководством А. Н. Туполева. В боях использовались как военные, так и гражданские самолёты, строившиеся большими и малыми сериями. Всего в войне участвовало около 5 000 самолётов АНТ и Ту.

В ходе Великой Отечественной войны руководство страны поставило перед коллективом Туполева новую масштабную задачу: спроектировать и построить за короткий период дальний скоростной бомбардировщик, лётно-технические данные которого не уступали бы серийному американскому бомбардировщику В-29 «Суперфортресс». КБ подготовило свой оригинальный проект (самолёт «64»). Однако его быстрое создание из-за отставания отечественной авиационной промышленности по многим позициям, особенно в области проектирования новейших авиационных систем и оборудования, было весьма проблематично. На длительные проработки, эксперименты и доводки времени не было — начинался период «холодной войны». Стране требовался современный стратегический авиационный носитель, в том числе надёжный носитель ядерных боеприпасов. Поэтому правительством было принято решение скопировать интернированные B-29, попавшие в СССР после вынужденных посадок на Дальнем Востоке в ходе американских налётов на Северо-Восточный Китай и Японию. В кратчайшие сроки, всего за полтора года туполевский коллектив вместе со всей авиационной промышленностью и смежными отраслями сумел подготовить и развернуть серийное производство копии-аналога B-29 — Ту-4. 19 мая 1947 года Ту-4 впервые поднялся в воздух. С самолёта Ту-4А 18 октября 1951 года, на полигоне под Семипалатинском, была сброшена атомная бомба.

Ту-4 строились в большой серии на трёх заводах вплоть до 1953 года. Всего советская авиационная промышленность построила для ВВС более 1200 таких самолётов. Программа постройки и освоения Ту-4 помогла осуществить мощнейший рывок в развитии отечественных технологий в области самолётостроения, в особенности в области авиационного оборудования и специализированных самолётных систем.

Развивая заложенные в Ту-4 идеи, КБ создало опытные стратегические поршневые самолёты: дальний Ту-80 и межконтинентальный Ту-85, ставший одним из лучших среди межконтинентальных поршневых бомбардировщиков.

В 1945 году в ОКБ А. Н. Туполева начались работы по изучению возможности создания самолётов с турбореактивными двигателями. В 1946 году были разработаны первые компоновки, а в 1947 году взлетел первый самолёт КБ, оснащённый ТРД — «77» (Ту-12).

КБ Туполева являлось лидером в разработке тяжёлых бомбардировщиков, тем не менее в сороковые годы создавалось ещё много проектов самолётов, которые по разным причинам не запускались серийно: Ту-70 пассажирский транспортный самолёт; Ту-72 трёхмоторный бомбардировщик; Ту-75 транспортный самолёт для перевозки 100 военнослужащих; Ту-81 двухмоторный тактический бомбардировщик; Ту-14 в различных вариантах было изготовлено 100 машин; Ту-82 фронтовой бомбардировщик со стреловидным крылом; Ту-86 бомбардировщик с увеличенным стреловидным крылом; Ту-89 самолёт-торпедоносец.