Согласно новому Положению о НИИ ВВС, введенному 26 июня 1929 г., он становился «техническим контрольным средством ВВС и имел своим назначением производство научно-испытательных работ по всем отраслям применения Военно- воздушных сил и по усовершенствованию их материальной части и вооружения». В структуре института имелось 11 отделов: применения, воздушных испытаний, вооружения, аэронавигационный, технический, винтомоторный, радио, электротехнический, фототехнический, воздухоплавательный и административно-технический. К 1931 г. число отделов увеличилось до 19. Перебазирование НИИ ВВС на новое место на аэродром под Щелковом началось в 1932 г. и завершилось к концу 1935 г. Кроме того, для испытаний гидросамолетов в марте 1932 г. в Севастополе была сформирована Морская испытательная станция.
Одна из заметных работ института в 30-е гг. была связана с созданием под руководством В.С. Вахмистрова так называемого «самолета-звена», состоящего из тяжелого бомбардировщика и пристыкованных к его крылу нескольких истребителей. Было испытано несколько конфигураций таких «звеньев» с разным составом самолетов. Кроме того, летчики НИИ ВВС в это время выполнили ряд новых рекордных сверхдальних перелетов, получивших поистине мировую известность. Основной же объем исследований института в предвоенные годы был связан с испытаниями новых и модифицированных самолетов И-15, И-16, И-153, СБ, ДБ-3, а непосредственно перед войной, на рубеже 40-х гг., – прототипов будущих серийных истребителей Як-1, МиГ-1 и ЛаГГ-1, штурмовика Ил-2, бомбардировщика Пе-2 и ряда других.
В грозные 40-е
С началом Великой Отечественной войны решением командования из личного состава НИИ ВВС были сформированы три истребительных авиаполка, по два полка пикирующих и тяжелых бомбардировщиков и один полк штурмовиков, а также одна разведывательная эскадрилья и три батальона аэродромного обслуживания. Испытатели отправились на фронт, а в связи с его приближением к Москве советское правительство приняло решение об эвакуации НИИ ВВС с Чкаловского аэродрома в Свердловск (ныне – Екатеринбург). Однако уже с конца 1941 г. из-за необходимости расширения испытательных работ по модифицированным и новым самолетам для фронта бывшие сотрудники НИИ ВВС стали отзываться обратно из строевых частей в институт. Находясь в эвакуации, институт провел около 2200 испытательных работ, в т.ч. 209 испытаний самолетов. Одна из наиболее ярких страниц деятельности НИИ ВВС в эвакуации – испытания первого советского ракетного истребителя БИ, которые провел отозванный с фронта летчик-испытатель Г.Я. Бахчиванджи.