В промежуток с конца 1924 по октябрь 1929 года под руководством Поликарпова был разработан целый ряд проектов – разведчики Р-1, МР-1, Р-4, Р-5, учебные 2УБ-3, П-1, П-2, пассажирский самолет П-2, бомбардировщики ББ-2, ТБ-2, одно– и двухместные истребители ИЛ-3, И-1, 2ИН-1, И-3, Д-2, И-6.
В этот же период был создан и один из самых знаменитых впоследствии самолетов Поликарпова, совершенно неожиданно прославившийся как боевая машина, – учебный биплан У-2 (с 1944 года – По-2).
Легкий самолет из дерева и фанеры, обтянутых полотном, с двигателем мощностью 115 л.с. и максимальной скоростью чуть более 150 км/ч, с трудом входящий в штопор, легко выполняющий фигуры пилотажа и «прощающий» даже грубые ошибки в пилотировании, стал «летающей партой» для тысяч советских летчиков.
События начального периода войны поставили РККА перед необходимостью решить задачу тактических действий авиации непосредственно на передовой линии. Использование дальних бомбардировщиков ДБ-3 или тем более тяжелых ТБ-3 не только не соответствовало подобным задачам, но и было связано со значительными потерями времени на согласование действий и подготовку в вылету. Одним из вариантов разрешения проблемы стало оборудование осенью 1941 года связных самолетов У-2 бомбодержателями для 50 кг бомб. Успешный опыт положил начало формированию ночных бомбардировочных авиаполков (нбап). Входившие в их состав учебные самолеты, как правило, на первом этапе не имели вооружения и несли до 100 кг бомб калибра до 25 кг. Позже на вооружение полков ночных бомбардировщиков стали поступать самолеты с модернизированным более мощным мотором, несущие оборонительный ШКАС и способные поднимать авиабомбы калибра вплоть до ФАБ-100 общей нагрузкой до 300 кг (обычно бомбовая нагрузка составляла 100–200 кг).
В декабре 1941 года в составе ВВС РККА имелось 15 нбап, а в течение полугода – к маю 1942-го – их численность увеличилась до 68. Самым известным из них стал женский 46-й гвардейский ночной бомбардировочный авиаполк (до 8 февраля 1943 года – 588-й ночной легкобомбардировочный авиационный полк). За годы войны летчицами женского полка, получившими прозвище «ночные ведьмы», было совершено 23 672 боевых вылета и сброшено более 3 тысяч тонн бомб. 23 летчицам из состава полка было присвоено звание Героев Советского Союза.
Итоги боевой работы легкого биплана, создававшегося исключительно как учебный и связной самолет, оказались вполне сопоставимы с деятельностью «полноценных» боевых машин. По-2 составили более трети общей численности парка фронтовых бомбардировщиков. При этом неприхотливость и способность действовать с неподготовленных площадок позволяли совершать несколько вылетов за ночь, благодаря чему, несмотря на малую бомбовую нагрузку, масса сброшенных летчиками ночных легкобомбардировочных полков бомб составила более четверти общего тоннажа фронтовой бомбардировочной авиации.