Оценив подготовку итальянского авиаинженера, начальство перевело его в Управление ВВС Черного моря. Здесь, в Севастополе, начав инженером-механиком авиаминоносной эскадры, он быстро дослужился до старшего инспектора по эксплуатации материальной части (1927 г.), то есть всех боевых самолетов, а на его петлицах появились ромбы комбрига (по современному генерал-майора).
За успешную подготовку морской части трансконтинентального перелета самолета АНТ-4 «Страна Советов» в 1929 г. из Москвы в Нью-Йорк Бартини был награжден грамотой Всесоюзного Центрального исполнительного комитета СССР.
Вскоре Бартини вернули в Москву и назначили членом Научно-технического комитета ВВС. В нем он подготовил свои первые проекты гидросамолетов, в частности, тяжелой летающей лодки — 40-тонного морского бомбардировщика МТБ-2. Специалисты сразу отметили оригинальность предложенного им технического решения — разместить четыре мотора попарно в крыльях, вынеся пропеллеры вперед на удлиненных валах, что позволило бы улучшить аэродинамику машины. После этого Бартини вновь перевели, теперь в Авиатрест, а затем в Опытный отдел-3 (ОПО-3) — ведущую организацию, занимавшуюся морским самолетостроением. Ее возглавлял выдающийся авиаконструктор Д.П. Григорович, а в самом Отделе трудились молодые инженеры С.П. Королев, С.А. Лавочкин, И.П. Остославский, И.А. Берлин, И.В. Четвериков. На новом месте Бартини продолжил заниматься гидропланами разного назначения, однако вскоре ему стало тесновато в пределах одной тематики и он переключился на проработку экспериментального истребителя ЭИ.
И тут ему внезапно поручили возглавить ОПО-3 вместо арестованного в 1928 г. по пресловутому «делу Промпартии» Григоровича. Но в марте 1930 его группа вошла в состав ЦКБ. За докладную записку, направленную Бартини в ЦК ВКП(б), в которой он объяснял бессмысленность «коллективизации» в конструировании самолетов, группу Бартини распустили, а самого уволили.
В том же году начальник Главного управления Гражданского воздушного флота (ГВФ) А.З.