С августа 1918 г. молодой инженер работает на московском авиазаводе «Дукс», переименованном затем в Государственный авиазавод № 1 (ГАЗ № 1), в должности начальника технического отдела. В течение нескольких лет он занимается совершенствованием выпускаемой продукции, переконструированием «Ньюпоров», «Фарманов» и «Де Хэвиллендов» под имеющиеся двигатели, оборудование и материалы. Наиболее масштабной работой, проводимой на ГАЗ № 1 вплоть до середины 1920-х гг., стала подготовка к серийному производству по русским нормам и из русских материалов английского самолета DH-9, ставшего известным как Р-1 (разведчик-первый). Наибольшая роль в этой деятельности принадлежит Н.Н. Поликарпову, поэтому этот самолет вполне правомочно иногда называют самолетом его конструкции.

Начиная с 1922 г. предметом особого внимания Поликарпова становятся самолеты-истребители, созданию которых он уделял особое внимание в последующие годы. Первый среди них - моноплан ИЛ-400, получивший в ВВС обозначение И-1. За монопланом последовали бипланы 2И-Н1 (1925 г.), И-3 (1927 г.), Д-2 (1928 г.), И-6 (1929 г.). Именно специализация на самолетах-истребителях стала отныне главным делом его жизни. Уже в расцвете творческой деятельности Поликарпов получил неофициальный титул «короля истребителей», что вполне соответствовало уровню его заслуг и достижений.

Плодотворная, в основном удачная деятельность конструктора прервалась самым неожиданным образом во второй половине 1929 г. 24 октября его арестовали органы ГПУ, неожиданно предъявивщие ему обвинение в связях с контрреволюционными организациями. Этот арест стал одним из многих подобных, ведущихся уже с 1928 года. Хватали старых опытных специалистов, в основном ведущих работников, всех тех, на кого власти рещили свалить неудачи в промышленности и просчеты в экономической политике. В 1928-1929 гг. арестовали и поместили в Бутырскую тюрьму Д.П. Григоровича, В.М. Ольховского, И.М. Косткина, А.В. Надащкевича, Н.Г. Михельсона и многих других.