В 30-е годы, работая под руководством А. Туполева, П. Сухой сыграл ведущую роль в создании самолетов, на которых был совершен ряд рекордных перелетов, прославивших советских авиаторов на весь мир. На самолете АНТ-25 РД в 1937 году экипажи в составе В. Чкалова, Г. Байдукова, А. Белякова и М. Громова, А. Юмашева, С. Данилина совершили беспосадочные перелеты через Северный полюс в США, а в 1938 году на самолете АНТ-37бис «Родина» беспосадочный перелет протяженностью 6450 километров по маршруту Москва – Дальний Восток выполнил женский экипаж в составе командира В. Гризодубовой, второго пилота П. Осипенко и штурмана М. Расковой.
Подготовленный к рекордному перелету АНТ-37 имел изначально и иное название – ДБ-2 и создавался как дальний бомбардировщик. Наименование ДБ-1 было присвоено военному варианту АНТ-25. Но оба эти бомбардировщика не были запущены в серию, уступив ДБ-3 Ильюшина.
Проектами дальних бомбардировщиков Сухой занимался и впоследствии. В частности, в мае 1941 года им был предложен проект высотного бомбардировщика «СБ» с двумя двигателями АМ-38 с герметичной кабиной, с дальностью полета до 2000 км и бомбовой нагрузкой в 1 тонну. Самолет имел традиционную схему с двухкилевым оперением. Проект был отклонен с целым рядом замечаний, включавших плохой обзор и затрудненность осуществления, слабое вооружение, непродуманность условий работы экипажа в гермокабине.
В 1942 году КБ Сухого представило проект одномоторного трехместного дальнего ночного бомбардировщика с двигателем АМ-37, с бомбовой нагрузкой до 2 тонн и расчетной дальностью 4000 км. Основной идеей этого проекта называлось стремление получить бомбардировщик дальнего действия, который в производстве являлся бы менее трудоемким и более дешевым в сравнении с имеющимися тяжелыми четырехмоторными машинами.
Однако наличие одного мотора на дальнем бомбардировщике сочли слишком рискованным, к тому же двигатель АМ-37 был снят с производства и продолжение работ над ним не планировалось. Имелись и иные замечания по проекту – в частности требование слишком длинной полосы для взлета – более 1000 м. Заключение НИИ ВВС по эскизному проекту ДБ-АМ-37 содержало комментарий консультанта НИИ генерал-майора инженерно-авиационной службы В.С. Пышнова: «
П. Сухой предпринял попытку доработки проекта, увеличив экипаж до 4 человек и заменив двигатель на М-82. Велась также работа над двухмоторным четырехместным дальним бомбардировщиком ДБ-2М82Ф, но эти проекты завершены не были.
В 1939 году П. Сухой снова приступил к разработке современного истребителя. 25 мая им был предоставлен эскизный проект скоростного истребителя с двигателем М-105П, созданный в соответствии с выдвинутыми командованием ВВС тактико-техническими требованиями к новому истребителю. 29 июля 1939 года постановлением Комитета Обороны «О создании новых опытных самолетов истребителей в 1939–1940 г.г.» конструктору предписывалось создать два опытных образца: с двигателями М-105П и М-106П, при этом оба предполагалось оснастить турбокомпрессорами ТК-2. Истребитель должен был нести пушку ШВАК и два 7,62-мм пулемета.
Строительство первого образца было начато на харьковском авиазаводе № 135 и продолжено после перебазирования ОКБ на новый опытный завод № 289 в Калининграде. 15 июня 1940 года самолет И-135, получивший к тому времени обозначение Су-1, поднялся в воздух. Самолет продемонстрировал достаточно высокие данные, в том числе максимальную скорость свыше 640 км/ч. Однако добиться высокой надежности компрессоров так и не удалось. Впрочем, и без компрессоров данные нового истребителя оказались достаточно высокими, самолет показал отличные летные и взлетно-посадочные характеристики, не уступавшие данным его основных конкурентов – И-26 и И-301, а также хорошую маневренность и устойчивость в полете. Тем не менее испытания затянулись до весны 1941 года. К этому времени уже был начат серийный выпуск других машин. В апреле 1941 года продолжать работу над Су-1, не имеющим компрессоров, и над его развитием Су-3 сочли нецелесообразным.