Коллектив, возглавляемый Туполевым, создает несколько аэросаней, доказавших свою неприхотливость и надежность в суровых условиях Севера, где они главным образом и эксплуатировались. С появлением новых металлов стало возможным строительство цельнометаллических саней. Первые аэросани были построены в феврале 1923 года. После успешных испытаний серийное производство аэросаней было налажено в двух местах: на металлургическом заводе Марти в Ленинграде и Кольчугинском металлургическом заводе. Здесь выпускали модели аэросаней от АНТ-1 до AHT-IV (последняя модель в 1928 году была показана на выставке в Берлине).
В октябре 1921 года Туполев начинает строительство своего первого быстроходного катера АНТ-1 (такое же обозначение спустя год получил и первый самолет Туполева). Основным материалом, использованным для строительства катера, было дерево. Работа над катером потребовала создания в Крыму специальной базы для испытания и доработки катеров и гидросамолетов. Здесь же изучались процессы коррозии новых металлов в соленой воде. Опыт, полученный при разработке и эксплуатации аэросаней и быстроходных катеров, позволил Туполеву значительно расширить собственные знания и проложить путь к конструированию и строительству цельнометаллических самолетов.
Через шесть месяцев, в апреле 1922 года Туполев приступает к работе над конструкцией своего первого самолета. Это одноместный спортивный моноплан свободнонесущей схемы из дерева и металла с размахом крыла 7,2 м. В свой первый полет самолет, работа над которым заняла полтора года, отправился 21 октября 1923 года. Пилотировал его Евгений Погосский.
Между тем в мае 1923 года Туполев начинает проектирование АНТ-2 – первого советского цельнометаллического самолета. Это был свободнонесущий моноплан с высокорасположенным крылом. Пилот самолета размещался в открытой кабине, а двое пассажиров – в закрытой, лицом друг к другу. На самолете устанавливался двигатель «Люцифер» фирмы «Бристоль» с воздушным охлаждением мощностью 100 л.с. Первым пилотом, поднявшим АНТ-2 в воздух 26 мая 1924 года, был Николай Петров. Несколько таких самолетов было построено на Кольчугинском заводе. Самый первый АНТ-2 сохранился в Музее авиации и космонавтики в городе Монино под Москвой. Пять построенных в Кольчугине самолетов обслуживали трассу Москва – Горький.
К началу двадцатых годов возглавляемый Туполевым коллектив насчитывал тринадцать инженеров. Основные силы были в то время брошены на разработку и испытание алюминиевых сплавов, пригодных для использования в самолетостроении. В январе 1925 года Туполев впервые выезжает за границу: во главе группы специалистов он посещает Германию и Францию, где изучает опыт борьбы с коррозией в авиационной промышленности, а также ряд других проблем. Несмотря на положительную, в общем, оценку накопленного в этих странах опыта, Туполев приходит к выводу, что для условий России в наибольшей степени подходит метод анодирования, применяемый в Великобритании, и вскоре эта технология принимается в качестве стандартной в Советском Союзе.
В июле 1924 года в ЦАГИ поступает заявка ВВС на проектирование двухместного самолета-разведчика. Вполне естественно, задание направляется в отдел АГОС, которым руководит Туполев. В результате на свет появился АНТ-3 – первый туполевский биплан, фактически, полутораплан, поскольку нижняя плоскость его была значительно короче верхней. Выбор биплана в качестве конструктивного решения самолета был продиктован имевшимся на тот момент двигателем. Кроме того, меньший размах крыльев, характерный для биплана, улучшал маневренность самолета, так необходимую истребителю и разведчику. Первый полет АНТ-3 состоялся в августе 1925 года, после чего машина была немедленно поставлена в серийное производство на ГАЗ-5 (Государственном авиационном заводе № 5, который в 1927 году в честь десятой годовщины Октябрьской революции был переименован в завод «Красный октябрь»).
Проектируя АНТ-3, Туполев остановился на гофрированном металле. Это позволило добиться более высокой прочности дюралюминиевых поверхностей крыла и фюзеляжа. Изначально патент на гофрирование был зарегистрирован в Германии фирмой «Юнкере». В 1923 году Народный комиссариат производства заключил с «Юнкерсом» договор об оказании Советскому Союзу помощи в создании завода по производству алюминия и обучении инженеров технологии производства. Тем не менее на случай, если такое соглашение не удалось бы заключить, Туполев и его коллеги самостоятельно разработали гофрированный алюминий, который получил название «волна ЦАГИ» (по аналогии с «волной Юнкерса»). Расчеты Туполева показывали, что созданный в ЦАГИ гофрированный алюминий оказывался на 25% прочнее и на 5% долговечнее германского. Более сложная технология производства и клепки вызывали сильное противодействие со стороны производственников, однако Туполев сумел добиться своего, и новый гофрированный металл был внедрен в производство. «Юнкере» возбудил в международном суде в Гааге иск против Наркомата производства на том основании, что именно ему принадлежали международные патенты на гофрированный алюминий, но иск был отклонен.
Между тем Туполеву не давала покоя еще одна проблема: сложно выпускать самолеты серийно без создания испытательных машин, на которых отрабатывались бы новые технические решения и выявлялись слабые места конструкции. Вскоре в рамках отдела АГОС начинается создание экспериментальной базы. Учитывая, что первоначально институт ЦАГИ был задуман как научно-исследовательская организация, многие руководители возражают против включения в его структуру экспериментального подразделения, но Туполев в очередной раз преодолевает сопротивление, и 14 ноября 1924 года при отделе АГОС появляется новое подразделение.
Производство и помещения для инженерного персонала разместили недалеко от ЦАГИ в здании на углу Вознесенской и Немецкой улиц (теперь это улицы Радио и Бауманская). Задача нового подразделения, в состав которого вошел, в частности, цех по строительству опытных самолетов, заключалась в развитии испытательных технологий в интересах серийного производства. Проходит совсем немного времени – ив новом здании работает уже 185 сотрудников из 305 человек, состоявших в штате ЦАГИ. Здесь проектировалось и создавалось множество самолетов Туполева. В течение нескольких лет после организации экспериментальной базы Туполев работает над такими машинами, как АНТ-4/ТБ-1, истребитель АНТ-5 (1927), АНТ-7/Р-6 (1929), пассажирский самолет АНТ-9 (1929), четырехмоторный бомбардировщик АНТ-6/ТБ-3 (1930), АНТ-14 (1931).
Несмотря на огромную занятость текущей работой, Туполев стремится расширять знания и налаживать профессиональные связи за рубежом: в 1927 году он посещает Австрию и Италию, в 1928-м едет в Германию, в 1929-м – вновь в Германию, а также Францию, Австрию и Англию, в 1930 году – в США. В 1930 году Туполев назначается главным конструктором и начальником отдела АГОС и занимается подготовкой к созданию завода опытных конструкций (ЗОК) и расширению конструкторских подразделений.
В 1931 году по решению правительства была начата реорганизация развивающейся авиационной промышленности. Руководителем управления экспериментальной авиации ЦАГИ назначен Сергей Ильюшин, а его заместителем – Туполев. Надо сказать, что этот период вообще был отмечен частыми переводами промышленных отраслей из одного министерства в другое, и в результате новых веяний Туполев всего через четыре месяца возвращается на пост начальника управления.
Туполев продолжал настаивать на необходимости строительства испытательных самолетов, но при этом считал, что далеко не все испытательные конструкции должны идти в серию. На вопрос о том, стоит или нет начинать серийный выпуск самолета- торпедоносца МТ-1 конструкции Григоровича, Туполев ответил так: «Надо отказаться от мысли, что [все] испытательные самолеты должны запускаться в серийное производство. Идея испытания заключается в испытании. Пока что никому не удавалось перешагнуть через эволюцию техники». Неодобрительно относился Туполев и к покупке и копированию иностранных самолетов. «Они нам предлагают самолеты, которые уже показали хорошие результаты, иначе говоря, конструкции вчерашнего дня, не сегодняшние и, тем более, не завтрашние, которые пока лежат в портфелях конструкторов. Налаживание производства на наших заводах займет не меньше двух лет, и все кончится тем, что у нас вместо современных будут устаревшие самолеты». В то же время, чутко улавливая преимущества той или иной модели, Туполев с готовностью выступал в ее поддержку. Именно он, будучи главным инженером авиационного управления Наркомата тяжелой промышленности, одобрил и настоял на приобретении лицензии на производство в России самолета ДС-3 «Дуглас» и закупке т.н. плазово-шаблонной технологии. В итоге для Советского Союза и его союзников было выпущено 6157 самолетов Ли-2 (по фамилии главного инженера Лизунова, который производил доработку самолета).
