Хотя А. Туполев не принимал особо активного участия в революционной деятельности, тем не менее за причастность к студенческим волнениям 14 марта 1911 года он был арестован и впоследствии выслан на родину – на хутор Пустомазово. Вернуться к учебе Туполеву удалось лишь в 1914 году.
В 1918 году Н.Е. Жуковским на базе Аэродинамической лаборатории МВТУ и Авиационного расчётно-испытательного бюро был основан Центральный аэрогидродинамический институт (ЦАГИ), на многие десятилетия ставший основной научной базой советского авиастроения. В 1921 году А. Туполев становится заместителем Жуковского, а в октябре 1922 года возглавляет комиссию по постройке металлических самолётов при ЦАГИ. 22 октября 1922 года впоследствии было признано официальной датой создания опытного КБ Туполева. В 1936 году А.Н. Туполев назначается также первым заместителем начальника и главным инженером Главного управления авиационной промышленности Наркомтяжпрома, одновременно возглавляя выделенное из системы ЦАГИ конструкторское бюро вместе с созданным в 1922 году заводом опытных конструкций (ЗОК), позже переименованным в завод № 156 в системе НКТП, а затем в НКАП (Народный комиссариат авиационной промышленности).
Под руководством А.Н. Туполева была внедрена технология крупносерийного производства как лёгких, так тяжёлых металлических самолётов. К 1935 году в структуре КБ созданием самолетов различного назначения – военных, гражданских, а также специальных рекордных – занимался ряд отдельных подразделений КБ. Бригады, осуществлявшие проектирование самолетов под маркой АНТ, возглавляли инженеры, известные впоследствии как выдающиеся самостоятельные конструкторы: В.М. Петляков, И.И. Погосский, А.П. Голубков, П.О. Сухой, А.А. Архангельский, В.М. Мясищев.
Отдельным направлением деятельности КБ было создание торпедных катеров. С 1929 по 1933 год серийно строились катера серии Ш-4 (ГАНТ-4), а с 1933 по 1944 год принимавшие активное участие в боевых действиях Великой Отечественной войны глиссирующие катера Г-5 (ГАНТ-5), несущие две 533-мм торпеды. Хотя имевший «авиационное» происхождение катер обладал рядом недостатков, он тем не менее стал самым массовым в своем классе – было выпущено около 330 единиц. Помимо основного предназначения, Г-5 использовались в качестве плавсредства для высадки десантов, эвакуации раненых, эскортирования транспортов. Часть катеров была оборудована пусковыми установками 82-мм реактивных снарядов РС-8.
Но «морская» тематика была все же второстепенной по сравнению с созданием новых типов авиационной техники, среди которых особое место занимали тяжелые многомоторные машины. Еще во второй половине 1925 года был создан первый в мире цельнометаллический двухмоторный бомбардировщик АНТ-4 (ТБ-1). В биографии этой машины много примечательных страниц – первые опыты дозаправки в воздухе, использование в качестве авиаматки-звена, участие в операции по спасению экипажа и пассажиров затертого льдами ледокола «Челюскин», межконтинентальный перелет с промежуточными посадками в США протяженностью более 22 тысяч километров. Отдельные экземпляры ТБ-1 оставались в летном состоянии в ВВС и ГФВ и к лету 1941 года, но основным тяжелым бомбардировщиком ВВС РККА к началу войны оказался четырехмоторный АНТ-6, или ТБ-3.