В 1933 году Туполев избирается членом-корреспондентом Академии наук СССР. Это звание, выше которого стоит только титул академика, было и остается до сих пор одним из наиболее почетных в области науки и техники.
В тридцатые годы коллектив, возглавляемый Туполевым, конструирует и испытывает самолеты АНТ-20 («Максим Горький»), АНТ-25, АНТ-9, АНТ-6/ТБ-3, АНТ-40/СБ, АНТ-35 и АНТ-42/Пе-8. Опытные образцы этих и ряда других машин строятся на новом заводе. Замечательные конструкции самолетов еще больше закрепляют за Советским Союзом репутацию страны-лидера в области мировой авиационной техники.
Особое значение в судьбе Туполева имел 1936 год: 5 января он назначается главным инженером Главного управления авиационной промышленности (ГУАП) Наркомата тяжелой промышленности. Эта должность позволяет ему оказывать влияние на всю авиационную промышленность страны. 1 июля туполевский 156-й завод экспериментальных конструкций выделяется из ЦАГИ и становится самостоятельным предприятием. В этот же период за счет присоединения нескольких зданий по набережной Яузы значительно расширяются площади, занимаемые конструкторским бюро. Пройдет почти сорок лет, и когда А.Н.Туполева не станет, заводу будет присвоено имя его основателя.
Все хорошее, однако, имеет свойство проходить. Сталин насаждает в Советском Союзе режим собственной жесткой власти. Аномальный размах приобретает борьба за государственную безопасность: любого, даже неподтвержденного, предположения об измене было достаточно, чтобы сломать человеку карьеру, а часто – и лишить жизни. Исключения не делались и для видных деятелей политики, армии, промышленности и культуры: многие из них были казнены или упрятаны в лагеря. Это были черные дни в бурной истории России, когда внутренняя обстановка заставляла целый народ жить в постоянном страхе.
Поздним вечером 21 октября 1937 года Туполев был арестован прямо в своем рабочем кабинете. После допроса на Лубянке его поместили в камеру № 58 Бутырской тюрьмы. В камере, рассчитанной на четверых, содержалось сорок человек. Туполев проходил по 58-й статье Уголовного кодекса: подрывная и шпионская деятельность. Кто именно дал обвинительные показания на Туполева, остается неизвестным по сей день, но нужно учитывать, что жестокие пытки, которым подвергались в тот период арестованные, побуждали многих во имя облегчения собственных страданий свидетельствовать против других. Не исключено, что одной из причин ареста Туполева стало высказывание летчика Леваневского, который после неудачного перелета в Америку на самолете АНТ-25 заявил Сталину, что Туполев – враг народа и умышленно сорвал перелет (хотя после Леваневского эту задачу с успехом решили Чкалов и Громов). Обстановка на следствии приводит к тому, что Туполев признает себя виновным по самым немыслимым и бездоказательным пунктам обвинения.