Советские лётчики на самолётах отечественной конструкции совершили перелёты, прославившие нашу страну. С 5 марта по 13 апреля 1934 на самолётах АНТ-4, Р-5 и др. было вывезено со льдины 104 человека экипажа затонувшего во льдах Берингова пролива ледокола «Челюскин». За отвагу и мужество, проявленные при спасении экипажа ледокола, постановлением ЦИК СССР от 20 апреля 1934 первое звание Героя Советского Союза было присвоено лётчикам А. В. Ляпидевскому, С. А. Леваневскому, В. С. Молокову, Н. П. Каманину, М. Т. Слепнёву, М. В. Водопьянову, И. В. Доронину. Спустя 3 года, 18—20 июня 1937, лётчики В. П. Чкалов, Г. Ф. Байдуков и штурман А. В. Беляков на самолёте АНТ-25 совершили перелёт по маршруту Москва — Северный полюс — Ванкувер (США), пролетев без посадки по прямой 8504 км за 63 ч 16 мин. Через месяц после этого перелёта (12—14 июля) лётчики М. М. Громов, А. Б. Юмашев и штурман С. А. Данилин на самолёте АНТ-25 пролетели без посадки по маршруту Москва — Северный полюс — Сан-Джасинто (Калифорния, США), покрыв расстояние по прямой 10148 км за 62 ч 17 мин и установив мировой рекорд дальности беспосадочного полёта. 24—25 сентября 1938 на самолёте конструкции П. О. Сухого «Родина» лётчицы В. С. Гризодубова, П. Д. Осипенко и штурман М. М. Раскова совершили перелёт по маршруту Москва — Дальний Восток (район реки Амгунь). Самолёт пролетел по прямой без посадки 5908 км за 26 ч 29 мин, что было признано женским международным рекордом дальности полёта. 28—29 апреля 1939 лётчик В. К. Коккинаки и штурман М. Х. Гордиенко на самолёте конструкции Ильюшина ЦКБ-30 « Москва» совершили беспосадочный перелёт из Москвы через Гренландию в Северную Америку [о. Мискоу (Миску) в заливе Святого Лаврентия, Канада], пролетев за 22ч 56 мин около 8 тыс. км (по прямой 6516 км). Все эти и другие перелёты тех лет свидетельствовали о мастерстве и отваге советских лётчиков, о крупных научных и технических достижениях отечественной А., радиосвязи и метеослужбы.
За рубежом, в Англии, Франции, США, Германии и других странах, в 20—30-е гг. 20 в. было создано несколько сот типов военных и гражданских самолётов, многие из которых выпускались большими сериями. Среди иностранных самолётов выделялись английский «Супермарин S. 6В» (в 1931 на нём был установлен рекорд скорости — 656 км/ч), американской фирмы «Райан», на котором в 1927 лётчик Ч. Линдберг впервые перелетел через Атлантический океан из США в Европу, и пассажирский ДС-3 американской фирмы «Дуглас», на долгие годы ставший основным самолётом гражданской А. многих стран мира.
Первоначально большинство самолётов строилось по бипланной схеме, но к середине 30-х гг. определился решительный и окончательный переход от биплана к моноплану. Это было обусловлено достижениями аэродинамики, строительной механики и двигателестроения. Были созданы точные методы расчёта на прочность. Разработка и применение на самолётах тормозных колёс и механизации крыла (щитков, закрылков, предкрылков) позволили увеличить удельную нагрузку на крыло с 700—1000 до 1400—1700 н/м2 и тем самым повысить скорость полёта. Важнейшим достижением аэродинамики, обеспечившим снижение аэродинамического сопротивления самолёта на 20—25%, было решение проблемы уборки шасси в полёте и внедрение винтов изменяемого шага. Росту скорости полёта способствовало также усовершенствование капотирования двигателей, переход к закрытым фонарям кабин и обтекаемым, зализанным формам фюзеляжей, применение гладкой обшивки крыла и потайной клёпки. Всё это позволило добиться увеличения скорости самолётов на 20—30% при той же мощности двигателей. Продолжалось дальнейшее совершенствование методов расчёта и проектирования авиационных двигателей. Конструкторам совместно с учёными удалось повысить мощность серийных двигателей с 700—800 до 2000 л.с. с одновременным уменьшением удельной массы с 0,9 до 0,5 кг/л.с.
В те же 30-е гг. советские учёные решили ряд важнейших принципиальных вопросов А., в частности проблему избавления от флаттера — вибраций крыла и оперения с нарастающей амплитудой в потоке воздуха — и выхода из штопора, обеспечивших быстрый качественный рост отечественного самолётостроения. Изучение флаттера проводилось ещё в 20-х гг. Ветчинкиным и Чаплыгиным, а в 1931 в ЦАГИ была организована специальная группа. Теоретические и экспериментальные исследования, проведённые этой группой, в которую входили М. В. Келдыш, Е. П. Гроссман и др., позволили выработать рекомендации для конструкторов, навсегда излечившие самолёты от опасного явления вибраций. Начало практическому изучению выхода самолёта из штопора положил (1916) русский лётчик К. К. Арцеулов. Решение проблемы штопора было изложено в трудах советских учёных-аэродинамиков В. С. Пышнова и А. Н. Журавченко. Исследования режимов штопора проводились в специально построенной аэродинамической трубе ЦАГИ.
В ЦАГИ также продолжались и начатые ещё в 20-е гг. работы по созданию первых отечественных вертолётов. Было построено несколько опытных конструкций вертолётов И. П. Братухина и Б. Н. Юрьева: ЦАГИ 1-ЭА (1930), ЦАГИ 5-ЭА (1933), ЦАГИ 11-ЭА (1936), «Омега» (1941) и др. Инженер А. М. Черёмухин на вертолёте ЦАГИ 1-ЭА 14 августа 1932 установил мировой рекорд высоты, равный 605 м.
Важную роль в практическом использовании научных исследований, их технической реализации сыграла разработка группой специалистов ЦАГИ и других институтов в 1940—1941 «Руководства для конструкторов», унифицировавшего методику проектирования, постройки и испытания самолётов.
Участие советских добровольцев на самолётах И-15, И-16 и СБ в Национально-революционной войне в Испании (1936—39) позволило в боевых условиях проверить качество авиационной техники. Если вначале лётчики республиканской авиации на советских самолётах-истребителях успешно били противника, то вскоре появление немецкого самолёта Ме-109Е с большей скоростью и более мощным вооружением изменило положение и позволило фашистской авиации завоевать господство в воздухе.
В 1939 ЦК ВКП(б) и правительство приняли экстренные меры по укреплению советской авиационной промышленности. Конструирование новых образцов самолётов было поручено нескольким КБ. Среди них успешно справились с ответственным заданием коллективы КБ под руководством С. В. Ильюшина, С. А. Лавочкина, А. И. Микояна, В. М. Петлякова и А. С. Яковлева. В результате принятых мер за 1,5—2 года были построены, испытаны, приняты на вооружение и запущены в серийное производство истребители ЛаГГ-З, МиГ-З, Як-1, бомбардировщики Пе-2, Пе-8, Ил-4, штурмовик Ил-2.
К началу Великой Отечественной войны А., опираясь на последние достижения науки, полностью перешла на монопланную схему самолётов с убирающимся шасси, обтекаемым фюзеляжем, закрытым фонарём и т. д. Скорость истребителей достигла 600—650 км/ч, потолок 11—12 км. Скорость бомбардировщиков достигла 550 км/ч, дальность полёта 3—4 тыс. км, бомбовая нагрузка 3—4 т. В это время Ильюшиным был создан уникальный самолёт-штурмовик Ил-2, оснащённый мощной бронёй и вооружением. Он предназначался для борьбы с танками.
А. в годы Великой Отечественной войны. Вероломное нападение фашистской Германии на Советский Союз в 1941 поставило отечественную А. в тяжёлое положение: большие потери боевых самолётов на аэродромах в первые дни войны невозможно было быстро возместить; новые типы самолётов производились ещё в небольших количествах. Однако героический труд рабочих и инженерно-технических работников авиационной промышленности по выпуску самолётов в тяжёлых условиях 1-го периода войны, эвакуации в восточные районы страны, суровой зимы уже в начале 1942 дал свои результаты: поступление новых самолётов на фронт день ото дня увеличивалось.
Самолёты были просты по конструкции и построены из недефицитных материалов, что существенно облегчило их серийное производство в условиях военного времени. По простоте и надёжности советские самолёты выгодно отличались от зарубежных, в особенности от американских. Вследствие хорошей технологической отработки совершенствование самолётов в условиях массового производства удалось осуществить без потерь во времени и без снижения количественного выпуска.