Конструкторское бюро Туполева явилось продолжением всех передовых тенденций, которые имелись в русской авиационной науке и технике в начале ХХ века.

В 1922 г. Туполев возглавил Комиссию по постройке металлических самолётов при институте. С этого времени начало действовать сформированное и возглавляемое им опытное КБ. По предложению самого А.Н.Туполева дату создания Комиссии - 22 октября 1922 г. - считают датой создания опытного конструкторского бюро ЦАГИ – ОКБ А.Н.Туполева.

Первым транспортным средством, изготовленным под руководством авиаконструктора Туполева, был… катер. Назывался он АНТ-1, как и будущий самолёт. А ещё АНТ-1 – это аэросани, также построенные Андреем Николаевичем по заданию государственного комитета обороны,  для транспортировки тачанок, потом – глиссеров (для прохождения по рекам, по берегам которых велись бои). Это тоже полезный опыт, так как за это время Туполев экспериментировал с металлами, пригодными для применения в авиации, кроме того в это время вокруг А. Н. Туполева образовался коллектив конструкторов, инженеров и квалифицированных рабочих, а также накопился большой  опыт проектов деревянных и металлических конструкций.

В 1922 году, наконец, началась работа над созданием первого самолета АНТ-1. До войны самолеты, построенные в    КБ А. Н. Туполева назывались АНТ («Андрей Николаевич Туполев»). С первого военного самолета, спроектированного и построенного в особом техническом бюро при НКВД СССР, все последующие его машины носят марку «Ту». Самолет был смешанной деревянно-металлической конструкции. Дело в том, что Андрею Николаевичу, убежденному в том, что будущее авиации – за легким металлом, пришлось вести длительную дискуссию с оппонентами, считавшими, что в России, имеющей богатейшие леса, главным материалом самолетостроения останется дерево. Пятилетняя дискуссия закончилась победой А. Н. Туполева, и следующий самолет – АНТ-2 был первым в России цельнометаллическим летательным аппаратом. Необходимый металл – кольчугалюминий был изготовлен в г. Кольчугино Владимирской области, а Андрей Туполев по праву стал основателем цельнометаллического самолета.

Под его руководством проектировались бомбардировщики, разведчики, истребители, пассажирские, транспортные, морские, специальные рекордные самолёты, а также аэросани, торпедные катера, гондолы, мотоустановки и оперение первых советских дирижаблей. А.Н.Туполев ввёл в практику открытия филиалов основного КБ, что значительно ускорило выпуск машин.  Также создал при КБ свои лётные базы, что сократило сроки проведения испытаний. В 1932 г. КБ переезжает в новое здание КОСОС (ЦАГИ). Отдельные бригады возглавляли ближайшие коллеги А.Н.Туполева: В.М.Петляков, И.И.Погосский, А.П.Голубков, П.О.Сухой, А.А.Архангельский, В.М.Мясищев и другие конструкторы, имена которых навсегда вошли в историю самолетостроения.

Именно на самолёте Туполева совершил свой уникальный перелёт Валерий Чкалов. Беспосадочный перелёт Москва — Северный полюс — Ванкувер совершён 18-20 июня 1937 года на самолёте АНТ-25 в составе: командир экипажа — В. П. Чкалов, второй пилот — Г. Ф. Байдуков и штурман — А. В. Беляков. Это был первый в истории беспосадочный перелёт из СССР в США.

Первой "звездой" Туполева, не имеющей мировых аналогов стал АНТ-4 (ТБ-1), советский бомбардировщик-моноплан, получивший название "Страна советов". Именно АНТ-4 снимал с льдины экипаж челюскинцев. Полярные летчики совершили невозможное. Именно для них было учреждено самое почетное звание страны — Герой Советского Союза.

21 октября 1937 года А. Н. Туполев был арестован по в передаче чертежей французской разведке и в том, что он возглавлял антисоветскую вредительскую организацию в авиационной промышленности. Получил 15 лет с поражением в политических правах. Весь состав его команды - многие ведущие специалисты ЦАГИ и ОКБ, директора большинства авиационных заводов также пострадали.

Самолётами Туполева, в которых воплотились новейшие достижения науки и техники в предвоенный период стали бомбардировщики АНТ-4, АНТ-6, АНТ-40, АНТ-42 и 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 А.Н. Туполева был 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 ракетонесущий дальний бомбардировщик Ту-22 и сверхзвуковой барражирующий истребитель-перехватчик Ту-128.   

В 1956-1957 гг. в КБ было создано новое подразделение, задачей которого была разработка беспилотных летательных аппаратов. 

Андрей Николаевич Туполев совершил настоящий переворот в отечественном авиастроении. Каждый новый свой самолет он создавал на основе прежних, беря за основу лучшие их качества. Именно Туполев первым оценил по достоинству все возможности ЭВМ, и создал один из первых вычислительных центров в стране. Всего под руководством А.Н.Туполева было спроектировано свыше 100 типов самолётов, 70 из которых строились серийно. На его самолётах установлено 78 мировых рекордов, выполнено около 30 выдающихся перелётов.  А.Н.Туполев воспитал плеяду видных авиационных конструкторов и учёных.