Летом 1941 года в составе частей ВВС РККА числилось до 500 самолетов этих типов, в том числе около 170 боеготовых машин в ВВС Западных округов, которые уже на первом этапе войны послужили материальной базой формирования ряда бомбардировочных полков. Так, в частности, самолеты Р-5 находились на вооружении сформированного в октябре 1941 года на базе Ярославской военной школы стрелков-бомбардиров 606-го легкобомбардировочного авиационного полка, действовавшего на Западном фронте.
Широко привлекались Р-5 и для доставки в войска боеприпасов, продовольствия, фуража, эвакуации раненых, в качестве связных самолетов.
С середины 1943 года Р-5 начали снимать с вооружения частей фронтовой авиации, однако они продолжали эксплуатироваться в тыловых и учебных частях ВВС, а также в составе авиагруппы особого назначения ГВФ, выполняя перевозки в интересах Красной Армии, заброски в тыл врага парашютистов, полеты в партизанские районы. К началу 1945 года в полках ГВФ еще числилось 38 Р-5.
Оставались в строю и созданные на основе Р-5 в начале 30-х годов первые советские штурмовики – Р-5Ш и ССС.
Главным отличием Р-5Ш являлось усиленное вооружение – самолет нес синхронный и четыре крыльевых 7,62-мм пулемета ПВ-1. Следующая модификация ССС (скоростной, скороподъёмный, скорострельный) была оснащена мотором М-17Ф мощностью 715 л.с. и пулеметами ШКАС, бомбовая нагрузка достигала 700 кг. Около 80 имевшихся в строю к началу войны боеготовых штурмовиков применялись на первом этапе для ударов по живой силе противника, позже уцелевшие машины использовались в качестве связных самолетов и ночных бомбардировщиков.
24 октября 1929 года Н. Поликарпов был арестован по обвинению в контрреволюционной деятельности и вредительстве. В вину конструктору вменили ряд неудач, имевших место в работе над новыми проектами, в том числе катастрофу, произошедшую с опытным самолетом И-3. Припомнили Поликарпову и «непролетарское происхождение», и работу под началом «белоэмигранта» Сикорского, и конфликты с руководством Научно-технического комитета (НТК) ВВС по поводу необоснованности выдвигаемых к новым самолетам требований.
Однако, несмотря на уже вынесенный приговор, Николаю Николаевичу удалось избежать трагической участи. В декабре 1929 года в Бутырской тюрьме из состава большой группы арестованных авиационных специалистов было организовано Особое конструкторское бюро – ОКБ ОГПУ, в январе 1930 года переведенное на территорию авиазавода № 39 и переименованное в ЦКБ-39 ОГПУ им. Менжинского. Руководство работой коллективом возложили на Д.П. Григоровича, арестованного 31 августа 1928 года, его заместителем назначили Поликарпова. Здесь, в стенах первой из многочисленных в будущем «шараг», был создан истребитель И-5, ставший основным истребителем советских ВВС середины 30-х годов и даже успевший принять участие в боевых действиях первого периода войны. Остававшиеся в парке летных школ, а иногда и восстанавливаемые из числа списанных, бипланы хотя и безнадежно устарели для роли истребителя, но эпизодически применялись в качестве легких бомбардировщиков и штурмовиков в 1941-м и даже в 1942 годах.
И-5 стал предшественником линейки знаменитых поликарповских истребителей-бипланов И-15, И-15бис и И-153.
К началу войны в штате ВВС РККА и авиации флота числилось 598 боеготовых истребителей И-15, созданных еще в 1933 году, и 473 экземпляра его модификации И-15бис, в том числе 150 И-15 и 230 И-15бис на западном направлении.
И-15 первый боевой опыт получил в 1936 году в Испании, где советская боевая техника и советские военнослужащие и специалисты принимали участие в боевых действиях на стороне республиканского правительства против фалангистов генерала Франко и действовавших на его стороне во время гражданской войны 1936–1939 годов. Прозванные испанцами «Chato» («курносый») советские истребители вели действия против авиации франкистов и действовавших на их стороне пилотов итальянского экспедиционного корпуса и немецкого «Легиона Кондор». В 1938 году был начат выпуск И-15бис, отличавшегося в первую очередь более мощным двигателем М-25В и новым капотом NACA, а также прямым центропланом верхнего крыла вместо характерного V-образного излома у И-15.
В боевых частях И-15бис оставались до 1942 года, после чего были переведены в учебные подразделения. Боевое применение преимущественно ограничивалось нанесением штурмовых ударов по позициям и боевым порядкам противника. Для этих целей на истребители устанавливались бомбодержатели, рассчитанные на поднятие до 150 кг бомб, и направляющие 82-мм реактивных снарядов.