W latach 1933–1938 Polikarpow był kierownikiem Doświadczalnego Biura Konstrukcyjnego (OKB). Początkowo mieściło się przy zakładzie Nr 156, a następnie Nr 1 w Moskwie. W biurze tym powstały dwupłatowe myśliwce I-15, I-15bis i I-153 oraz dolnopłatowe I-16, I-17 i I-800. Prawie wszystkie produkowane w ZSRR w latach 30. myśliwce pochodziły z biura Polikarpowa, który z tego powodu nazywany był „królem myśliwców”. Spośród nich, I-15bis i I-16 w połowie lat 30. nie ustępowały konstrukcjom zagranicznym lub je przewyższały. Aż do 1940 roku pozostawały podstawowymi samolotami myśliwskimi ZSRR.
W 1940 Polikarpow skonstruował myśliwiec I-185 przewyższający maksymalną prędkością wszystkie ówczesne samoloty niemieckie. Nie skierowano go jednak do produkcji seryjnej. W 1939 roku rozpoczął też prace nad myśliwcem I-200 (późniejszy MiG-1).