Tam też w latach 1926–1928 powstał samolot wielozadaniowy U-2, przemianowany później na Po-2 od nazwiska Polikarpowa, światowy rekordzista pod względem ilości wyprodukowanych egzemplarzy oraz łącznego czasu ich wykorzystywania.
Następnymi udanymi konstrukcjami Polikarpowa były myśliwiec I-5 z silnikiem gwiazdowym oraz rozpoznawczo-szturmowy R-5.
Podczas stalinowskich czystek w październiku 1929 aresztowano go i skazano na karę śmierci. Po dwóch latach oczekiwania na wykonanie wyroku przeniesiono go do pracy w specjalnym biurze konstrukcyjnym OGPU, a wyrok złagodzono do 10 lat przymusowej pracy, jednak dzięki doskonałym wynikom nowych konstrukcji Polikarpowa złagodzono go jeszcze bardziej, zamieniając na wyrok w zawieszeniu. W lipcu 1931 Polikarpowa objęła amnestia. Stalin, będąc zadowolonym z jego projektów, zezwolił mu na założenie własnego biura konstrukcyjnego.