При массе 18,8 т он развивал скорость 288 км/ч, имел потолок 7740 м и дальность полета до 2500 км. До войны было выпущено около 800 этих машин, которые составили основу советской бомбардировочной авиации.
В 1932 г. специально для дальних перелетов КБ Туполева разработало самолет АНТ-2 5, имевший очень длинные и узкие крылья, что позволяло уменьшить мощность двигателя и расход топлива. На этом самолете один за другим в 1937 г. экипажами Чкалова и Громова были поставлены мировые рекорды дальности полета: первый пролетел по маршруту Москва — Северный полюс — Портленд (США); второй — Москва — Северный полюс — Сан-Джасинто (США). В 1934 г. появился восьмимоторный гигант АНТ-20 «Максим Горький» с размахом крыльев 63 м — в то время самый большой самолет в мире Он использовался как пассажирский лайнер и как авианесущий транспортный самолет-матка (на крыльях его располагались два легких истребителя).
Но основным в деятельности КБ Туполева оставалась разработка и создание тяжелых бомбардировщиков. В 1935 г. был построен АНТ-40 (СБ) — первый скоростной бомбардировщик, развивавший скорость до 480 км/ч (по тем временам — очень высокую; в Испании эти машины легко уходили от серийных немецких истребителей). В 1936 г. появился пятимоторный АНТ-42 (ТБ7). Четыре двигателя размещались у этого самолета, как и в прежних моделях, на крыльях, а пятый, предназначенный для наддува, — в фюзеляже. Благодаря наддуву потолок самолета достигал рекордной для того времени высоты — 11 200 м. Очень хорошими были и другие характеристики ТБ-7: на высоте 8600 м он развивал скорость 430 км/ч и при дальности полета 4500 км мог поднять 4 т груза. Во время войны на основе АНТ-42 соратник Туполева Петляков создал свой тяжелый пикирующий бомбардировщик Пе-8, широко применявшийся в боях против немцев.
Вторая половина 30-х гг. ознаменовалась для Туполева многими важными событиями. В 1936 г. его КБ вышло из состава ЦАГИ и было преобразовано в самостоятельный завод авиационной промышленности. Это произошло незадолго до начала грандиозной чистки, предпринятой Сталиным в рядах партии.
В 1937 г. начались аресты сотрудников туполевского КБ по обвинению в шпионаже в пользу Германии. В октябре арестовали самого Туполева. С декабря 1937-го по июль 1941 г. он находился в заключении как «враг народа», хотя судьба его сложилась удачнее, чем у многих других репрессированных. В феврале 1939 г. Туполев возглавил созданное при НКВД закрытое ЦКБ-29, все инженеры, конструкторы и сотрудники которого являлись такими же как и он заключенными, отбывавшими свой срок по обвинению в государственной измене. Это было специфическое порождение сталинской системц — институт-тюрьма, или «шарашка», как ее тогда называли.
Перед ЦКБ-29 была поставлена задача: создать пикирующий бомбардировщик, который при большой бомбовой нагрузке имел бы скорость не меньшую, чем у истребителя. Такой бомбардировщик к началу войны был разработан. Им стал Ту-2 (АНТ-58). Испытания самолета начались в 1941 г. На высоте 8000 м он имел скорость 650 км/ч. Однако началу серийного выпуска Ту помешала война. Вскоре после ее начала Туполева реабилитировали и выпустили на свободу. Его КБ срочно эвакуировали в Омск (где оно находилось до 1943 г.). Первые Ту-2 появились на фронте в 1942 г., а к 1944 г. их было произведено уже около 600. В то время по своим показателям это были лучшие пикирующие бомбардировщики в мире. В Советском Союзе они стояли на вооружении вплоть до 1951 г., когда были заменены новым поколением Ту (в 1947 г. был испытан Ту-4, в 1948 г. началось его серийное производство).
На базе Ту-4 в 1948 г. был построен пассажирский лайнер Ту-70 на 74 пассажира. Он имел скорость 550 км/ч, а дальность полета 5000 км. Однако на доработку этой модели у Туполева не было времени, так что дальше испытательных полетов дело не пошло. В эти годы перед авиационной промышленностью встала трудная задача — разработать и создать новые типы реактивных самолетов. КБ Туполева была поручена работа по созданию скоростного реактивного бомбардировщика. Переход к новым типам самолетов происходил постепенно и занял пять лет. Сначала на основе Ту-2 был создан опытный реактивный самолет Ту-12. Но для достижения качественного скачка требовалось не просто заменить поршневой двигатель на реактивный, а принципиально переработать схему самого самолета. В том же 1948 г. разрабатывается бомбардировщик Ту-14. На летных испытаниях он уступил однотипному с ним бомбардировщику КБ Илюшина, который и был принят на вооружение Туполеву поручили создавать скоростной бомбардировщик среднего радиуса действия. Одной из экспериментальных моделей на этом пути стал Ту-82 (1949) — первый советский бомбардировщик со стреловидным крылом На его основе КБ разработало затем Ту-16, запущенный в серийное производство. Начало 50-х гг. было отмечено целой серией удачных разработок Туполева для военной и гражданской авиации. Так, в 1952 г. был запущен в производство скоростной турбовинтовой межконтинентальный стратегический бомбардировщик-ракетоносец Ту-95, способный поражать объекты противника, не входя в зону его противовоздушной обороны.