В июле 1933 года началась постройка самолета «Максим Горький». Бригада В. М. Петлякова проектировала и рассчитывала крылья. Следующей машиной, в разработке которой активно участвовал Петляков, был АНТ-25, или РД (рекорд дальности). Владимир Михайлович создал необычное крыло с размахом 34 метра. Позднее он писал в многотиражке ЦАГИ: «Прекрасные летные данные самолета были обеспечены самой схемой машины: моноплан, большое удлинение крыла и убирающиеся в полете шасси. Одной из основных трудностей в конструировании самолета было именно создание крыльев с большим удлинением. Ведь в этом сравнительно небольшом объеме крыльев нужно было поместить весьма значительное количество горючего, необходимого для осуществления дальнего полета. Другими словами, следовало сделать крыло-цистерну. Для этого пришлось провести большую экспериментально-исследовательскую работу по изучению вибрации крыльев».
Летом 1936 года Петлякова назначили начальником конструкторского отделения и первым заместителем, затем главным конструктором завода опытных конструкций ЦАГИ. Его важнейшей задачей стала постройка четырехмоторного бомбардировщика АНТ-42. Проектирование самолета, названного ТБ-7, начали летом 1934 года. Опытный образец появился через два года, а в конце 1936 года самолет впервые поднялся в воздух и был высоко оценен летчиком-испытателем Михаилом Громовым.
Осенью 1937 года Петляков был арестован. В условиях заключения его бригада работала над проектом истребителя-перехватчика с индексом «100». Опираясь на группу подобранных им специалистов, он стал разрабатывать скоростной высотный истребитель нового типа. Следующим заданием была разработка пикирующего бомбардировщика на базе истребителя проекта «100». Созданный макет так понравился, что сразу начали серийное производство; первый серийный самолет стал опытным. Летом 1940 года Владимира Михайловича освободили, а в начале 1941 года присвоили Государственную премию 1-й степени. После начала Великой Отечественной войны КБ Петлякова, с февраля обосновавшееся на серийном заводе, усиленно занималось налаживанием производства пикирующих бомбардировщиков Пе-2. «Пешки», как их любовно звали на фронте, стали самым массовым бомбардировщиком советских ВВС. Всего было выпущено более десяти модификаций Пе-2 (11427 штук). После штурмовиков и «яков» «пешка» стала самым тиражным самолетом советских ВВС.
12 января 1942 года Петлякову надо было срочно прибыть в Москву. На аэродроме у него состоялся разговор с известным летчиком-испытателем С. А. Шестаковым, который, словно предчувствуя трагедию, отговаривал его лететь на новом самолете с молодым летчиком. Бомбардировщик потерпел катастрофу около города Арзамаса, и Владимир Михайлович Петляков погиб.