4 мая 1932 г., в связи с назначением В.Н. Чернышева заместителем директора завода №22, произошло слияние бригад №3 и №4 в одну бригаду №3, с передачей ей производственных заданий обеих бригад. Объединенную бригаду возглавил П.О. Сухой.
25 мая 1932 г. ЦКБ ЦАГИ было преобразовано в Сектор опытного строительства (СОС) ЦАГИ с подразделениями: конструкторский отдел (КОСОС), завод опытных конструкций (ЗОК) и отдел эксплуатации,летных испытаний и доработок (ОЭЛИД). П.О. Сухого назначили начальником бригады № 3 КОСОС.
Первой работой объединенной бригады стал скоростной истребитель И-14 (АНТ-31). Это был первый в СССР цельнометаллический истребитель-моноплан с убираемым в полете шасси и тормозными колесами. 27 мая 1933 г. состоялся его первый полет. Самолет выпускался серийно в 1936-1937 гг., всего выпущено 22 экземпляра. Этими самолетами была вооружена одна из авиационных частей Московского военного округа (г. Клин).
В 1932 г. началось проектирование двухместного цельнометаллического пушечного истребителя ДИП (АНТ-29) с 102-мм динамореактивной пушкой АПК-8. Постройка самолета велась с 1932 г. по 1935 г. Это была одна из первых машин с полностью гладкой обшивкой и потайной клепкой. 14 февраля 1935 г. самолет впервые поднялся в воздух. Однако вследствие конструктивных недоработок, выявленных в процессе испытаний, а также абсолютной бесперспективности динамореактивных пушек, работы по самолету были прекращены.
Летом 1932 г. началось проектирование самолета РД (АНТ-25) для побития рекорда дальности. Первый полет был выполнен 22 июня 1933 г. В ходе испытаний была достигнута дальность полета 12411км, что позволило в 1936- 1937 гг. экипажам Громова и Чкалова выполнить ряд перелетов, в том числе через Северный полюс. На самолете РД экипаж М.М. Громова установил абсолютный мировой рекорд дальности по прямой (10148 км за 62 ч 17 мин).
В начале 1933 г. началась разработка военного варианта РД – дальнего бомбардировщика ДБ-1 (АНТ-36), а с 1934 г. его серийная постройка. Всего построено около 18 машин, 10 из которых переданы в эксплуатацию в одну из частей ВВС КА.
Развитием ДБ-1 стал двухмоторный бомбардировщик ДБ-2 (АНТ-37). Третий экземпляр самолета переделали для рекордного полета и он получил обозначение «Родина». В сентябре 1938 г. экипаж B.C. Гризодубовой совершил на этом самолете дальний перелет, установив мировой рекорд беспосадочного полета для женщин. Самолет «Родина» пролетел 5908 км по прямой.
11 апреля 1936 г. Совет Труда и Обороны (СТО) своим постановлением поручил НКТП приобрести лицензии на производство ряда зарубежных самолетов. Для завершения переговоров и заключения договоров с фирмами была образована комиссия. В начале мая П.О. Сухой в составе этой комиссии был направлен в США. В ходе трехмесячной командировки комиссия посетила промышленные предприятия и научные институты Нью-Йорка, Балтимора, Лос-Анжелоса, Сан-Франциско и других городов, где ознакомилась с применением новейших технологий при производстве самолетов. Многое из увиденного Павел Осипович затем использовал при создании своих конструкций.
Во второй половине 1936 г., по заданию ГУАП, конструкторские коллективы Н.Н. Поликарпова, И.Г. Немана, С.В. Ильюшина, С.А. Кочеригина, Д.П. Григоровича и П.О. Сухого провели предварительные изыскания по одномоторным эскизным проектам штурмовиков-разведчиков.
Комиссия ГУАП посчитала целесообразным построить машину в трех вариантах: дюралевой, на базе американских конструкций и технологий, деревянной и смешанной конструкции. По каждому из вариантов были назначены главные конструкторы: П.О. Сухой (ЗОК ЦАГИ), И.Г. Неман (завод №135), Н.Н. Поликарпов (завод №21).
Су-2 находился в серийном производстве с 1940 по 1942 гг. Всего заводами №№31, 135, 207 было выпущено 912 самолетов Су-2 разных модификаций, которые в качестве ближних бомбардировщиков, разведчиков и корректировщиков артогня принимали активное участие в боевых действиях начального периода Великой Отечественной войны, под Сталинградом и на других фронтах, вплоть до 1944 г.
Су-1 и Су-3 были построены в единственном экземпляре, проходили испытания, прекращенные весной 1942 г. из-за недоведенности турбокомпрессоров
Коллектив, возглавляемый П.О. Сухим, первым справился с поставленной задачей, и 25 августа 1937 г. М.М. Громов поднял новый самолет, получивший обозначение «Сталинское задание» (СЗ-1), «Иванов», ББ-1.
В 1938 г. СЗ-З (вариант с двигателем воздушного охлаждения М-87) успешно прошел заводские испытания и был предъявлен на совместные Государственные испытания, однако, еще до их завершения Наркомы Обороны и авиапромышленности обратились в Комитет Обороны (КО) с просьбой принять этот самолет на вооружение РККА.
Самолет ББ-1 внедрялся в серийное производство на Харьковском авиазаводе №135, в связи с чем весь коллектив конструкторского отдела во главе с П.О. Сухим переводился на завод №135, а П.О. Сухой назначался Главным конструктором этого завода. Кроме того, новому коллективу поручалось: провести модификацию самолета ББ-1 с мотором М-88, спроектировать и построить штурмовик-бомбардировщик ББ-2 с М-88, разработать эскизный проект одномоторного одноместного бронированного штурмовика, спроектировать и изготовить одноместный пушечный истребитель и др.