В 1929 г. на пассажирском самолёте Ант-9 «Крылья Советов» Громов выполнил ещё один дальний перелёт по маршруту Москва—Берлин—Париж—Рим—Лондон—Варшава, покрыв расстояние 9037 км за 53 лётных часа.
В 1934 г. экипаж в составе М.М. Громова, А.И. Филина и И.Т. Спирина на самолёте Ант-25 установил мировой рекорд дальности беспосадочного полёта по кривой — 12411 км за 75 часов (предыдущий мировой рекорд в 9104 км принадлежал французским лётчикам).
28 сентября 1934 г. за героизм и самоотверженность, проявленные при испытаниях самолёта Ант-25, Громову было присвоено звание Героя Советского Союза.
В 1936 г. на новом двухмоторном самолёте Ант-35 Громов совершил перелёт из Москвы в Ленинград и обратно в рекордно короткий срок: расстояние 1266 км пройдено за 3 часа 38 минут.
В июле 1937 г. на самолёте Ант-25 (РД-1) экипаж в составе М.М. Громова, А.Б. Юмашева, С.А. Данилина осуществил беспосадочный перелёт по маршруту Москва — Северный полюс — Сан-Джасинто (США). Расстояние 10148 км пройдено за 62 часа 17 минут. Советские лётчики установили мировой рекорд дальности по прямой. Члены экипажа были удостоены звания Героев Советского Союза, а уже имевший это звание Громов был награждён орденом Красного Знамени.
Международная авиационная федерация наградила участников перелёта медалью де Лаво за лучшее достижение 1937 г. В течение трёх лет перед этим медаль никому не присуждалась за отсутствием достойных кандидатов.
В 1937 г. ВАК СССР присвоила М.М. Громову учёное звание профессора по технической эксплуатации самолётов и моторов.
В 1941 г. Громова назначают директором только что созданного Лётно-исследовательского института (ЛИИ) Наркомата авиационной промышленности.
В начале Великой Отечественной войны с группой советских лётчиков командируется в США за получением самолётов по ленд-лизу.
С первых чисел декабря 1941 г. Громов — в действующей армии: сначала командир 31-й смешанной авиационной дивизии, затем командующий ВВС Калининского фронта. С мая 1942 г. — командующий 3-й воздушной армией, с мая 1943 г. — командующий 1-й воздушной армией. За умелое руководство французскими лётчиками эскадрильи «Нормандия», входившей в состав 1-й воздушной армии, Громов был награждён Командорским орденом Почётного легиона. В 1944 г. ему присвоено звание генерал-полковника авиации.
В июне 1944 г. Громов был назначен на должность начальника Главного управления боевой подготовки фронтовой авиации, а затем, в 1946 г., — заместителем командующего дальней авиацией по боевой подготовке.
В 1949–1955 гг. Громов — на руководящей работе в Министерстве авиационной промышленности. Он был инициатором и идейным руководителем единственной в стране школы по подготовке лётчиков-испытателей.