В промежуток с конца 1924 по октябрь 1929 года под руководством Поликарпова был разработан целый ряд проектов – разведчики Р-1, МР-1, Р-4, Р-5, учебные 2УБ-3, П-1, П-2, пассажирский самолет П-2, бомбардировщики ББ-2, ТБ-2, одно– и двухместные истребители ИЛ-3, И-1, 2ИН-1, И-3, Д-2, И-6.

В этот же период был создан и один из самых знаменитых впоследствии самолетов Поликарпова, совершенно неожиданно прославившийся как боевая машина, – учебный биплан У-2 (с 1944 года – По-2).

Легкий самолет из дерева и фанеры, обтянутых полотном, с двигателем мощностью 115 л.с. и максимальной скоростью чуть более 150 км/ч, с трудом входящий в штопор, легко выполняющий фигуры пилотажа и «прощающий» даже грубые ошибки в пилотировании, стал «летающей партой» для тысяч советских летчиков.

События начального периода войны поставили РККА перед необходимостью решить задачу тактических действий авиации непосредственно на передовой линии. Использование дальних бомбардировщиков ДБ-3 или тем более тяжелых ТБ-3 не только не соответствовало подобным задачам, но и было связано со значительными потерями времени на согласование действий и подготовку в вылету. Одним из вариантов разрешения проблемы стало оборудование осенью 1941 года связных самолетов У-2 бомбодержателями для 50 кг бомб. Успешный опыт положил начало формированию ночных бомбардировочных авиаполков (нбап). Входившие в их состав учебные самолеты, как правило, на первом этапе не имели вооружения и несли до 100 кг бомб калибра до 25 кг. Позже на вооружение полков ночных бомбардировщиков стали поступать самолеты с модернизированным более мощным мотором, несущие оборонительный ШКАС и способные поднимать авиабомбы калибра вплоть до ФАБ-100 общей нагрузкой до 300 кг (обычно бомбовая нагрузка составляла 100–200 кг).

В декабре 1941 года в составе ВВС РККА имелось 15 нбап, а в течение полугода – к маю 1942-го – их численность увеличилась до 68. Самым известным из них стал женский 46-й гвардейский ночной бомбардировочный авиаполк (до 8 февраля 1943 года – 588-й ночной легкобомбардировочный авиационный полк). За годы войны летчицами женского полка, получившими прозвище «ночные ведьмы», было совершено 23 672 боевых вылета и сброшено более 3 тысяч тонн бомб. 23 летчицам из состава полка было присвоено звание Героев Советского Союза.

Итоги боевой работы легкого биплана, создававшегося исключительно как учебный и связной самолет, оказались вполне сопоставимы с деятельностью «полноценных» боевых машин. По-2 составили более трети общей численности парка фронтовых бомбардировщиков. При этом неприхотливость и способность действовать с неподготовленных площадок позволяли совершать несколько вылетов за ночь, благодаря чему, несмотря на малую бомбовую нагрузку, масса сброшенных летчиками ночных легкобомбардировочных полков бомб составила более четверти общего тоннажа фронтовой бомбардировочной авиации.

Значительный объём работы выполняли самолеты По-2 и в качестве связного, штабного и санитарного самолета (санитарная модификация оборудовалась специальными контейнерами для перевозки двух человек на носилках), в том числе совершая полеты за линию фронта. По-2 стал самым массовым бипланом – его выпуск продолжался с 1928 по 1953 год и составил более 33 000 машин, в том числе в годы войны более 14 000.

Кроме У-2, в составе ночных бомбардировочных полков применялся и другой самолет Поликарпова, созданный в 1929 году, – разведчик Р-5 (а также его модернизированный вариант Р-зет). Р-5 оснащался 680-сильным мотором М-17, развивал скорость до 240 км/ч и был способен нести до 400 кг бомб. Вооружение составляли три пулемета калибра 7,62 мм – один синхронный и два спаренных оборонительных. Р-зет, разработанный КБ московского авиазавода № 1 под руководством Д.С. Маркова и А.А. Скарбова, отличался в первую очередь новым двигателем – 850-сильным М-34, в результате скорость увеличилась до 316 км/ч, а бомбовая нагрузка выросла до 500 кг.

Летом 1941 года в составе частей ВВС РККА числилось до 500 самолетов этих типов, в том числе около 170 боеготовых машин в ВВС Западных округов, которые уже на первом этапе войны послужили материальной базой формирования ряда бомбардировочных полков. Так, в частности, самолеты Р-5 находились на вооружении сформированного в октябре 1941 года на базе Ярославской военной школы стрелков-бомбардиров 606-го легкобомбардировочного авиационного полка, действовавшего на Западном фронте.

Широко привлекались Р-5 и для доставки в войска боеприпасов, продовольствия, фуража, эвакуации раненых, в качестве связных самолетов.

С середины 1943 года Р-5 начали снимать с вооружения частей фронтовой авиации, однако они продолжали эксплуатироваться в тыловых и учебных частях ВВС, а также в составе авиагруппы особого назначения ГВФ, выполняя перевозки в интересах Красной Армии, заброски в тыл врага парашютистов, полеты в партизанские районы. К началу 1945 года в полках ГВФ еще числилось 38 Р-5.

Оставались в строю и созданные на основе Р-5 в начале 30-х годов первые советские штурмовики – Р-5Ш и ССС.

Главным отличием Р-5Ш являлось усиленное вооружение – самолет нес синхронный и четыре крыльевых 7,62-мм пулемета ПВ-1. Следующая модификация ССС (скоростной, скороподъёмный, скорострельный) была оснащена мотором М-17Ф мощностью 715 л.с. и пулеметами ШКАС, бомбовая нагрузка достигала 700 кг. Около 80 имевшихся в строю к началу войны боеготовых штурмовиков применялись на первом этапе для ударов по живой силе противника, позже уцелевшие машины использовались в качестве связных самолетов и ночных бомбардировщиков.

24 октября 1929 года Н. Поликарпов был арестован по обвинению в контрреволюционной деятельности и вредительстве. В вину конструктору вменили ряд неудач, имевших место в работе над новыми проектами, в том числе катастрофу, произошедшую с опытным самолетом И-3. Припомнили Поликарпову и «непролетарское происхождение», и работу под началом «белоэмигранта» Сикорского, и конфликты с руководством Научно-технического комитета (НТК) ВВС по поводу необоснованности выдвигаемых к новым самолетам требований.

Однако, несмотря на уже вынесенный приговор, Николаю Николаевичу удалось избежать трагической участи. В декабре 1929 года в Бутырской тюрьме из состава большой группы арестованных авиационных специалистов было организовано Особое конструкторское бюро – ОКБ ОГПУ, в январе 1930 года переведенное на территорию авиазавода № 39 и переименованное в ЦКБ-39 ОГПУ им. Менжинского. Руководство работой коллективом возложили на Д.П. Григоровича, арестованного 31 августа 1928 года, его заместителем назначили Поликарпова. Здесь, в стенах первой из многочисленных в будущем «шараг», был создан истребитель И-5, ставший основным истребителем советских ВВС середины 30-х годов и даже успевший принять участие в боевых действиях первого периода войны. Остававшиеся в парке летных школ, а иногда и восстанавливаемые из числа списанных, бипланы хотя и безнадежно устарели для роли истребителя, но эпизодически применялись в качестве легких бомбардировщиков и штурмовиков в 1941-м и даже в 1942 годах.

И-5 стал предшественником линейки знаменитых поликарповских истребителей-бипланов И-15, И-15бис и И-153.

К началу войны в штате ВВС РККА и авиации флота числилось 598 боеготовых истребителей И-15, созданных еще в 1933 году, и 473 экземпляра его модификации И-15бис, в том числе 150 И-15 и 230 И-15бис на западном направлении.