В.Р.Менжинского. Здесь совместно с Д.Григоровичем в 1930 он разработал истребитель И-5, который находился на вооружении 9 лет. В 1931 г. коллегия ОГПУ приговорила Поликарпова к десяти годам лагерей. Но после удачного показа Сталину, Ворошилову, Орджоникидзе самолета И-5, пилотировавшегося Чкаловым и Анисимовым, было решено считать приговор в отношении Поликарпова условным. В июле того же года Президиум ЦИК СССР принял решение об амнистии группы лиц, в том числе Поликарпова. Только в 1956 г. — через 12 лет после смерти конструктора — Военная коллегия Верховного Суда СССР отменила прежнее решение Коллегии ОГПУ и прекратила дело в отношении Поликарпова.
В 30-х гг. им были созданы истребители И-15, И-16, И-153 «Чайка», составившие основу советской истребительной авиации в предвоенные годы. 21 ноября 1935 г. на И-15 летчик В.К.Коккинаки установил мировой рекорд высоты — 14575 км.
После ареста А.Н.Туполева Н.Поликарпов был назначен Главным конструктором авиазавода № 156 (ЗОК ЦАГИ). В начале января 1938 его КБ переехало сюда с завода №84. К концу 1938 г. был построен истребитель И-180 — развитие И-16 с двигателем М-87. Но гибель на нем В.П.Чкалова в первом же испытательном полете вновь ввергло Поликарпова в опалу. Были арестованы его заместитель — ведущий конструктор Д.Томашевич, директор завода № 156 Усачев и др. Самого Поликарпова от ареста спасло только то, что он отказался подписать акт готовности самолета к первому полету и ходатайство Байдукова. В мае 1939 работы по И-180 были переданы на Государственного авиазавода № 1. Сюда же перевели и КБ, а Поликарпов стал техническим директором и главный конструктором завода. Параллельно со скоростным И-180 Поликарпов продолжил и линию маневренных бипланов — И-190 (1939), И-195 (проект 1940).
В 1939 г. Поликарпов выехал в командировку в Германию. В его отсутствие директор завода Павел Воронин и главный инженер Петр Дементьев (будущий министр авиационной промышленности) выделили из состава КБ часть подразделений и лучших конструкторов (в том числе Михаила Гуревича) и организовали новый Опытный конструкторский отдел, а по сути — новое КБ, под руководством Артема Микояна.