В августе 1918 г. Поликарпов переезжает в Москву. Теперь деятельность молодого авиационного конструктора связана с бывшим велосипедным заводом «Дукс», переключившимся на самолётостроение. Поликарпов — начальник технического отдела; ему подчинены конструкторское подразделение, лаборатории, подготовка пpoизводства и лётная станция.

В 1923 г. на взлётную дорожку выходит первый советский истребитель И-400. Мощный 400-сильный мотор «Либерти» раскручивает лопасти винтов. Но, взмыв в небо, самолёт тут же, как раненая птица, падает на землю; лётчик с переломами отправлен в больницу.

Это были очень тяжёлые минуты в жизни Поликарпова. До недавнего времени он мог полагаться лишь на свою интуицию и относительно небольшой опыт. Теперь положение изменилось. Он получил возможность воспроизвести в аэродинамической трубе МВТУ обстановку полёта И-400.

«Она в точности повторила все движения самолёта в воздухе, приведшие к аварии. Это было поразительно», — заключает Поликарпов. Проведённые эксперименты подсказали решение: перенести центр тяжести вперёд, чтобы улучшить продольную устойчивость самолёта.

Испытание новой машины с двигателями М-5 завершилось успешно. Самолёт, получивший имя И-1, в 1925 г. пошёл в производство. Взлётная масса истребителя 1530 кг; максимальная скорость 264 км в час. Лётчик мог на И-1 подняться на высоту 6750 м.

В конце 1920-х годов в КБ Поликарпова создаётся двухместный разведчик Р-5, равного которому не было ни в одной стране. С 1931 г. он стал выпускаться серийно. Этот биплан деревянной конструкции с матерчатой обшивкой крыльев и оперения и фанерной обшивкой фюзеляжа оказался исключительно удачным самолётом: в нём сочетались хорошие технические качества с высокой надёжностью конструкции. Самолёт был устойчив, прост в управлении. Он развивал отличную для того времени скорость в 200—240 км в час. В течение 6 лет было построено около 7000 машин различных модификаций Р-5. На международном конкурсе разведывательных машин (Иран, 1930 г.), в котором приняли участие СССР, Англия, Голландия, Франция, самолёт Р-5 занял первое место.

В 1930 г. Н. Н. Поликарпов совместно с Д. П. Григоровичем создали истребитель И-5, который называли «чудом техники», «самым быстроходным самолётом». И-5 развивал скорость 286 км в час! Это был не только лёгкий, маневренный, но и мощно вооружённый истребитель. Он строился большой серией — около 800 самолётов — и до конца 1930-х годов состоял на вооружении.

«Авиационный почерк» главного конструктора становится всё увереннее. Тщательная отделка, изящные обводы. Самолёт должен быть не только надёжным, но обязательно красивым. Тогда на нём приятно летать. За красивым самолётом лучше ухаживают. И — что очень важно — у такой машины оказываются более высокие аэродинамические характеристики. Эту мысль Поликарпов настойчиво развивает.

Но главное, конечно, скорость. Скорость в сочетании с маневренностью и вооружением. Это они определяют мощь истребительной авиации.

Сотни раз Поликарпов откладывает в сторону эскизы новой машины. Подолгу сидит, задумавшись, в бригаде общих видов проектного отдела.

— Тише! Папаня думает!

«Папаня» или «Батя» — так Поликарпова называли в дружном коллективе.

— Тише! Батя, кажется, уже в стратосфере!..

А Николай Николаевич делает новый набросок. Обдумывает вариант размещения на истребителе мощных пушек...

«Современный самолёт, — писал Поликарпов, — чрезвычайно сложная машина. Он включает в себя большое число самых различных агрегатов: я имею в виду винт-автомат переменного шага, весьма мощный мотор, обычно равный электростанции средней величины, сложные артиллерийские и пулемётные установки, радиостанции весьма широкого диапазона и, наконец, разного рода автоматические устройства».

Поликарпов искал наиболее целесообразные формы конструкторской работы при создании опытного самолёта. Этим он начал заниматься ещё в начале 1920-х годов. Тогда-то впервые и выступил с обоснованием метода коллективного проектирования, основанного на чёткой специализации в определённой области.

«Нельзя быть одинаковым специалистом и в области аэродинамики, и в вопросах прочности конструкции самолёта... Работа в коллективе, — говорил Поликарпов, — означает такую специализацию, при которой каждый участник коллектива охватывает всё богатство знаний и опыта в какой-нибудь области».

Конструкторское бюро было поделено на группы и секции: крыла, фюзеляжа, оперения, винтомоторной установки, шасси, аэродинамического расчёта и т. д. Этот метод работы полностью оправдал себя, позволил сократить время проектирования и заметно улучшить качество продукции. В последующие годы все самолётные КБ перешли именно на такой метод проектирования, инициатором которого был Николай Николаевич Поликарпов.

В 1930-х годах с особой остротой встал вопрос о создании, по сути дела, нового класса самолётов: скоростных, маневренных истребителей. Началась борьба за скорость — 500 км в час.

Одной из характерных особенностей Поликарпова как конструктора было развитие и непрерывное совершенствование уже продуманной и предложенной им ранее схемы самолёта. Первые истребители, над которыми работал главный конструктор, были бипланы. Двукрылые самолёты отличались хорошей маневренностью — качеством, необходимым для успешного воздушного боя с противником.

По какому пути пойти теперь? С одной стороны, истребитель должен быть скоростным, чтобы осуществлять перехват и преследование противника. С другой стороны, он должен быть маневренным и вести успешно воздушный бой. Сложная и противоречивая задача. К тому же самолёт должен иметь мощное вооружение.

Решая проблему, коллектив Поликарпова создаёт истребители двух типов: маневренный биплан И-15 и скоростной моноплан И—16. Оба самолёта выруливают на взлётную полосу почти одновременно в осенние дни 1933 г. У самолётов И-15 и И-16 смешанная, типично «поликарповская» конструкция: дерево, стальные трубы, полотняная обтяжка и в очень ограниченном количестве дюраль.

И-15 — это 368 км в час и отличные маневренные качества. Самолёт устойчив на всех режимах, прост в пилотировании, хорошо садится и взлетает.

Моноплан И-16 получил мировую известность. Испытывал его В. П. Чкалов. Более чем за 7 лет серийного производства было выпущено 24 модификации этого истребителя. И-16 сначала даёт 360, а затем с мотором М-25 — 455 км в час на высоте 4000 м. Самый быстрый самолёт мира! И к тому же с хорошими маневренными характеристиками.

Различные варианты и типы самолёта И-16 в своём эволюционном развитии пройдут все этапы, будут оснащаться ещё более мощными авиационными двигателями и ещё более мощным грозным оружием.

В годы Великой Отечественной войны истребительный полк из самолётов И-16 (тип 24) станет первым в стране гвардейским авиационным полком. На И-16 в августе 1941 г. В. В. Талалихин осуществит первый в мире ночной таран. И первыми в Великой Отечественной воине Героями Советского Союза в июле 1941 г. станут лётчики-истребители П. Т. Харитонов, М. П. Жуков, С. И. Здоровцев.

Развитие бипланной схемы привело к рождению после самолёта И-15 таких истребителей, как И-15 бис (И-152) в 1935 г., И-15 бис (И-152) ТК в 1939 г. и других. В 1938 г. началось производство истребителя И-153, сыгравшего немалую роль в боях на Халхин-Голе в 1939 г. Этот биплан чем-то напоминал летящую чайку. Так и окрестили его лётчики. А потом название «Чайка» было узаконено.

«И-153 был единственным в Советском Союзе серийным бипланом с убирающимся шасси и лучшим из когда-либо созданных истребителей-бипланов», — пишет в книге «Советские самолёты» дважды Герой Социалистического Труда А. С. Яковлев.

По словам самого Поликарпова, истребители И-15 и И-153 «выжали всё возможное» из бипланной схемы.

Многие самолёты Поликарпова в довоенные годы представляли авиацию Советского Союза на международных выставках.

Так, в Берлине в 1928 г. был выставлен самолёт У-2 с мотором М-11, в Милане в 1935 г. — истребитель И-16 с мотором М-22, в Париже в 1937 г. — истребитель И-17 с мотором М-100. Этот самолёт показал при испытаниях максимальную скорость 500 км в час; его потолок был 9700 м.