Вскоре после возвращения в Москву Туполев женится на девушке, с которой знаком уже шесть лет: встретились они еще когда Туполев, будучи студентом, подрабатывал «медбратом» в одной из московских больниц. Юлия Николаевна Желтякова работала в той же больнице медсестрой. Эта сильная женщина щедро поделилась с Туполевым своей жизненной силой, которая была так необходима Андрею Николаевичу во все последующие годы. Со дня свадьбы и вплоть до 1952 года Туполевы жили в Москве в доме 29 по Каляевской (ныне – Долгоруковская) улице.
5 апреля 1921 года сотрудники ЦАГИ голосуют за избрание Туполева заместителем Н.Е.Жуковского.
Отныне его должность называется «товарищ директора», т.е. заместитель. Андрей Николаевич приступает к работе по внедрению легких металлов в конструкцию самолетов. Позднее это направление деятельности сыграет важнейшую роль в развитии самолетостроения. Несмотря на значительное сопротивление, оказываемое сторонниками деревянных конструкций, к которым присоединились и деятели деревообрабатывающей промышленности, Туполев упорно отстаивает свою линию. В первую очередь необходимо было определить технические характеристики металлов, их сорта и качественные показатели, хотя практически сразу стало ясно, что главным материалом будет дюралюминий. Работа требовала точных расчетов прочности и свойств каждого металла и создания соответствующих производств.
Отобрав тот или иной металл, Туполев приступал к испытаниям. Одним из способов испытаний и оценки эксплуатационных свойств металлов стало строительство аэросаней и быстроходных катеров. К лету 1922 года Кольчугинский металлургический завод дал первые слитки авиационного алюминия.
В октябре 1922 года Туполев добивается создания в ЦАГИ нового подразделения – «комиссии по металлическому самолетостроению». Несмотря на то что официально имя А.Н,Туполева было присвоено конструкторскому бюро лишь после его кончины, сам Андрей Николаевич считал, что история КБ Туполева берет начало именно с момента формирования комиссии 22 октября 1922 года. Как заместитель директора ЦАГИ по АГОС (авиации, гидроавиации и опытному строительству), Туполев занимался также проблемами авиационных металлов.
Коллектив, возглавляемый Туполевым, создает несколько аэросаней, доказавших свою неприхотливость и надежность в суровых условиях Севера, где они главным образом и эксплуатировались. С появлением новых металлов стало возможным строительство цельнометаллических саней. Первые аэросани были построены в феврале 1923 года. После успешных испытаний серийное производство аэросаней было налажено в двух местах: на металлургическом заводе Марти в Ленинграде и Кольчугинском металлургическом заводе. Здесь выпускали модели аэросаней от АНТ-1 до AHT-IV (последняя модель в 1928 году была показана на выставке в Берлине).