Здесь совместно с другими «вредителями» в количестве около 300 человек и своим давним знакомым Дмитрием Григоровичем Поликарпов в лихорадочной обстановке начал работу над бипланом И-5. Оба понимали, что, если не сделают хороший самолет, им придется плохо. О том, кто они и в каком находятся статусе, конструкторам постоянно напоминали. В 1931 году коллегия ОГПУ, пересмотрев дело Поликарпова, приговорила его к 10 годам лагерей. Но после удачного показа Сталину, Ворошилову и Орджоникидзе истребителя И-5, эффектно выполненного летчиком Валерием Чкаловым, было решено считать приговор в отношении конструктора условным. 23 июня 1931 года сам Сталин в одном из выступлений осудил травлю «специалистов старой школы». Эти слова вождя сыграли поворотную роль в судьбе конструктора. Уже в июле того же года Президиум ЦИК СССР принял решение об амнистии группы лиц, в том числе Поликарпова. В результате последний, буквально чудом избежав сначала смерти, а потом отправки в ГУЛАГ, смог вернуться к нормальной работе.
Тем временем руководство страны и ВВС, недовольное результатами работы разрозненных и конкурирующих между собой конструкторских бюро и заводов, в 1931 году приступило к реорганизации опытного самолетостроения. Все проектирование было решено централизовать в едином конструкторском бюро – ЦКБ Центрального аэрогидродинамического института (ЦАГИ). Поликарпов получил назначение на должность заместителя начальника бригады № 3 П.О. Сухого. Именно здесь в середине 1932 года было получено задание от управления ВВС РККА на разработку и проектирование двух новых истребителей, один из которых планировался как скоростной, а второй как «маневренный».
Данная постановка проблемы была не случайной. Дело в том, что в мировом авиастроении на рубеже 20–30-х годов наметилась маленькая революция. На смену бипланам пришли монопланы – самолеты с одним крылом и улучшенной аэродинамикой. Постоянная борьба за скорость – важнейшая черта авиации, особенно истребительной. Переход к монопланам, да еще и с убирающимися шасси позволил сделать резкий прорыв в этой области. Но при этом самолетостроители и испытатели столкнулись с неожиданной проблемой: с ростом скорости ухудшилась маневренность, так как увеличился радиус, а следовательно, и время выполнения горизонтального виража. Маневренные же истребители бипланной схемы с малым временем разворота имели меньшую скорость вследствие большего лобового сопротивления. А с учетом того, что монопланам во время воздушных боев неизбежно пришлось бы биться и с бипланами, большой прирост скорости, как казалось, создавал некоторые тактические проблемы.
Тогда-то военные и нашли компромиссное решение этой задачи в одновременном развитии как скоростных истребителей-монопланов, так и усовершенствованных маневренных бипланов. По принятой в начале 30-х годов доктрине предполагалось, что монопланы должны догонять противника и навязывать ему бой, а бипланам предстоит продолжать его на горизонтальном маневре. У этой проблемы было, конечно, и другое решение – перевести бой в вертикальную плоскость, то есть построить тактику истребителей монопланов на атаке противника сверху-сзади и снизу-сзади с последующим резким набором высоты либо переходом в пикирование. Однако для советской авиации это было нереально из-за отсутствия достаточно мощных авиационных двигателей.
Итак, бригада № 3 ЦКБ ЦАГИ приступила к выполнению задания. Начальник Павел Сухой занялся собственным проектом, первоначально получившим название АНТ-31, а позднее И-14. А Николаю Поликарпову была поручена работа сразу над двумя проектами. Во-первых, модифицировать уже выпускавшийся истребитель И-5, во-вторых, начать рабочее проектирование истребителя-моноплана, первоначально получившего обозначение ЦКБ-12.
Проект открывал новый период советского самолетостроения. Во-первых, истребитель должен был стать одним из первых серийных самолетов с убирающимися шасси, во-вторых, первым боевым самолетом с планируемой скоростью свыше 400 км/ч, что по меркам начала 30-х годов было большим достижением.
В качестве примера для подражания для новой машины, по всей вероятности, послужили новинки американского авиапрома, в частности истребитель «Боинг» Р-26.
Однако не успел Николай Николаевич всерьез развернуться, как в структуре опытного самолетостроения произошла новая реорганизация. Структура ЦКБ ЦАГИ к концу 1933 года постепенно стала чересчур громоздкой, обросла множеством специализированных подразделений, управлять ее работой оказалось сложно. В связи с этим 13 января 1933 года на Московском авиазаводе № 39 было образовано Центральное конструкторское бюро для проектирования и производства легких самолетов. Начальником ЦКБ и одновременно заместителем директора завода был назначен С.В. Ильюшин.