Параллельно с серией ВИТ Поликарповым велась работа и над двухмоторным истребителем. Эскизный проект самолета был готов в сентябре 1940 года. Вооружение будущего истребителя Поликарповым предлагалось в двух комбинациях: две 20-мм пушки ШВАК в сочетании с парой 12,7-мм пулеметов и оборонительным ШКАС на турели или две 37-мм пушки ШФК-37 и четыре наступательных и один оборонительный пулемет ШКАС.
Первые полеты ТИС (тяжелый истребитель сопровождения) совершил уже после начала войны – в конце августа 1941 года. Цельнометаллический самолет с двигателями АМ-37 развивал скорость до 535 км/ч (предполагалось добиться ее увеличения до 650 км/ч). Экипаж в составе летчика и стрелка был защищен бронеплитами, предусматривалась установка достаточно мощного вооружения – двух пушек ШВАК, двух 12.7-мм пулеметов УБ и нескольких пулеметов ШКАС.
Однако в связи с эвакуацией осенью – зимой 1941 года в Новосибирск испытания самолета были прерваны. Возобновление их на новом месте существенно затянулось вследствие возникших сложностей с организацией опытного производства в неприспособленных условиях, но и после начала полетов неоднократно прерывались из-за низкой надежности моторов, которые к тому же не могли обеспечить ожидаемые характеристики.
В 1943 году Поликарпов предложил модернизированный самолет, перепроектированный под более мощные двигатели АМ-39. У машины была, кроме того, несколько улучшена аэродинамика – в том числе за счет облагораживания моторных гондол. При этом ТИС «МА» имел и усиленный комплект вооружения, состоящего из носовой батареи из двух пушек ШВАК, двух пушек калибра 45 мм или 37 мм в центроплане и оборонительного пулемета УБ. При этом на внешней подвеске самолет мог нести две бомбы по 500 кг. Расчетная скорость должна была равняться 650 км/ч на высоте 7150 м, скороподъёмность 781 м/мин.
Предполагалось, что самолет будет способен выполнять функции истребителя сопровождения, ночного истребителя и ближнего пикирующего бомбардировщика, а также применяться для нанесения штурмовых ударов, в том числе уничтожения легкобронированной техники противника.
Однако из-за неготовности АМ-39 на испытания в июне 1944 года самолет вышел с двигателями АМ-38Ф. Была достигнута скорость 35 км/ч, что позволяло предполагать, что с моторами АМ-39 будут получены характеристики, соответствующие заданным. Но и эта машина не была доведена до серийного выпуска. С учетом того что численность тяжелых дальних бомбардировщиков в ВВС РККА – фактически единственным представителем класса которых был Пе-8 – не превышала нескольких десятков, насущной необходимости в истребителе для их сопровождения не было, а с другими функциями справлялись машины, уже стоящие на вооружении.
С конца 1940 года среди разработок конструкторского бюро Поликарпова значился и проект одномоторного дневного бомбардировщика ОДБ. Отличительной особенностью этой машины являлась оригинальная силовая установка – размещенный в фюзеляже двигатель (АМ-37, АМ-38 или М-120) передавал крутящий момент на два воздушных винта, расположенных на крыльях. При этом предполагалась возможность реверса воздушных винтов для уменьшения скорости пикирования и при посадке. Эскизный проект был подготовлен в январе 1941 года. Согласно расчетам, самолет должен был иметь скорость в зависимости от типа двигателя от 585 до 645 км/ч и поднимать на внутренней или внешней подвеске до 1000 кг бомб. Однако несмотря на интерес, который проект вызвал у представителей ВВС, в условиях первого периода начавшейся войны до его реализации дело не дошло.
Уже с учетом опыта первых боев в конце 1941 года Н. Поликарпов приступил к созданию массового ночного бомбардировщика, который, по замыслу, должен был представлять собой экономичный в производстве боевой самолет с небольшим ресурсом, но при этом доступный пилоту средней квалификации и способный нести значительную бомбовую нагрузку.
Макетная комиссия по самолету НБ состоялась 16 августа 1942 года. Согласно расчетам, оснащенный двумя двигателями АШ-82 самолет должен был развивать скорость до 515 км/ч, иметь практическую дальность более 3000 км и поднимать 2000 (в перегруз до 5000) кг бомб во внутреннем бомбоотсеке. Оборонительное вооружение состояло из трех 12,7-мм пулеметов УБ, все места членов экипажа имели бронирование.
Однако в связи с загруженностью завода в Новосибирске, а затем и возвращением специалистов КБ в Москву работа над самолетом затянулась. Первый полет опытный экземпляр НБ совершил 23 мая 1944 года, а после смерти Н.Н. Поликарпова 30 июля 1944 года испытания были прекращены.