Был необоснованно репрессирован и в 1937–41 годах, находясь в заключении, работал в ЦК.Б-29 НКВД. Здесь им был создан фронтовой бомбардировщик «103» (Ту-2). Этапными самолётами Туполева, в которых воплотились новейшие достижения науки и техники и авиационного конструирования в предвоенный период, стали: бомбардировщики АНТ-4, АНТ-6, АНТ-40, АНТ-42, Ту-2; пассажирские самолёты АНТ-9, АНТ-14, АНТ-20 «Максим Горький» и рекордный АНТ-25. В Великой Отечественной войне участвовали ТВ-1, ТВ-3, СБ, Р-6, ТВ-7, МТБ-2, Ту-2 и торпедные катера Г-4, Г-5.
В послевоенный период под руководством Туполева (с 1956 года он генеральный конструктор) создан ряд военных и гражданских самолётов. Среди них стратегический бомбардировщик Ту-4, первый советский реактивный бомбардировщик Ту-12, турбовинтовой стратегический бомбардировщик Ту-95, бомбардировщик Ту-16, сверхзвуковой бомбардировщик Ту-22.
В 1956–57 гг. в КБ было создано новое подразделение, задачей которого была разработка беспилотных ЛА. Были разработаны крылатые ракеты «121», «123», ЗУР «131», беспилотные разведчики Ту-123 «Ястреб». Велись работы по планируещему гиперзвуковому аппарату «130» и ракетоплану «136» ( «Звезда»).
С 1955 велись работы по бомбардировщикам с ядерной силовой установкой (ЯСУ). После полетов летающей лаборатории Ту-95ЛАЛ намечалось создание экспериментального самолета Ту-119 с ЯСУ и сверзвуковых бомбардировщиков «120».
На базе бомбардировщика Ту-16 в 1955 был создан первый советский реактивный пассажирский самолёт Ту-104. За ним последовали первый турбовинтовой межконтинентальный самолёт Ту-114, ближние и средние магистральные самолёты Ту-110, Ту-124, Ту-134, Ту-154, а также сверхзвуковой пассажирский самолёт Ту-144 (совместно с А. А. Туполевым).
Под руководством Туполева спроектировано свыше 100 типов самолётов, 70 из которых строились серийно. На его самолётах установлено 78 мировых рекордов, выполнено около 30 выдающихся перелётов. Туполев воспитал плеяду видных авиационных конструкторов и учёных, возглавивших самолётные ОКБ.