Из Липецка его направили в Брянск — в 15-ю авиационную бригаду. В ходе выполнения упражнения полетов на малой высоте, он пролетел под проводами ЛЭП, но при этом по его вине разбилось два аэроплана. Чкалова арестовали, судили, приговорили снова на 1 год лишения свободы и уволили из рядов Красной армии. По ходатайству Я. И. Алксниса и К. Е. Ворошилова наказание было заменено на условное, а потом его вовсе освободили из Брянской тюрьмы.
В ноябре 1930 года Чкалова восстановили в РККА и направили на службу в московский НИИ ВВС РККА в качестве испытателя самолетов. За два года он совершил боле 800 испытательных полетов, освоив пилотирование 30 типов самолетов. 3 декабря 1931 года Чкалов участвовал в испытаниях авиаматки — воздушного авианосца ТБ, несшего на крыльях полдесятка истребителей. С января 1933 года его перевели на работу летчиком-испытателем Московского авиационного завода № 39. 5 мая 1935 года Чкалова за высокую результативность в работе награждают орденом Ленина.
В 1936-м и 1937 годах состоялось два перелета экипажа Чкалов — Байдуков — Беляков. Первый — из Москвы на Дальний Восток (песчаная коса острова Удд в Охотском море, 56 часов лета длиной 9375 км) в июле 1936 года. Они могли и дальше лететь, но кончилось топливо. Второй — из Москвы через Северный полюс в Америку — город Ванкувер, штат Вашингтон (63 часа лета длиной 8504) в июне 1937 года. Они оказались технологическим прорывом, подняв авторитет Советского государства. А нам говорят сегодня, что СССР, кроме некачественных галош, ничего не умел делать.
Возвратившийся после первого полета 10 августа 1936 года экипаж самолета АНТ-25 на подмосковный Щелковский аэродром приехал встретить даже Сталин. Троица отважных летчиков была удостоена звания Героев Советского Союза. С этого момента Чкалов приобрел всенародную известность.
Ко второму полету в США готовились тщательно. Разрешение на его осуществление было получено только после организации дрейфующей станции «Северный полюс-1». Именно она могла поддерживать с самолетом радиосвязь и передавать на его борт метеосводки.
25 мая 1937 года чкаловский экипаж был вызван в Кремль. Сталин внимательно слушал доклад о плане перелета и после этого летчики получили разрешение готовиться к старту. 18 июня в 4 часа 5 минут по московскому времени Чкалов поднял тяжело нагруженную машину с бетонки Щелковского аэродрома и взял курс на север.
Полет оказался очень трудным. Он сопровождался поломками в системе маслопроводов, сбоями в работе двигателя, обледенением винта и плоскостей, что грозило аварией, даже катастрофой. Но самое главное — ограничением запасов кислорода. Однако, несмотря на эти неприятности, отважный экипаж выполнил свой план. 20 июня самолет АНТ-25 приземлился на аэродроме Баракс в небольшом городке Ванкувер.
Среди приветствовавших геройский экипаж на американской земле были посол СССР в США А. А. Трояновский и Дж. К. Маршалл, будущий генерал и государственный секретарь США. Позднее он принял членов экипажа у себя дома. За этот перелет экипаж был награжден орденами Красного Знамени. Это был триумф экипажа и всей советской авиации. Кроме этого, полет положил начало взаимопонимания между советским и американским народами. Это к концу 30-х годов было очень важным.
Тысячи американцев пришли на аэродром Баракс, чтобы поприветствовать отважную троицу пилотов. Героический экипаж был принят президентом США Франклином Рузвельтом. Американцы обожествили Чкалова. Даже звезды Голливуда выстраивались в очередь за автографом. А при возвращении домой на пароходе «Нормандия» с ним познакомилась знаменитая актриса Марлен Дитрих, которая чувственно выражала ему свои восхищения. С этой «белокурой бестией», женщиной-пантерой, сводившей с ума мужчин, завязался у Валерия Павловича даже корабельный роман.
Читая мемуары Марлен Дитрих, можно прийти к выводу, что этот «голубой ангел» с идеальной фигурой и стальным позвоночником была благовоспитанной фрейлейн чуть ли не с безупречным моральным обликом. А вот в воспоминаниях ее единственной дочери, Марии Рива, она была совсем иной — деспотичной и распутной. Думается, такая линия поведения могла быть платой спецслужбам США за ее измену рейху. Что-то подобное было навязано ею советскому режиссеру Г. В. Александрову, который не без ее влияния заставил жену Любовь Орлову стать блондинкой под «а-ля Марлен». У Дитрих была своя игра…
Существует версия, что после снятия с должности руководителя НКВД Н. И. Ежова из-за массовой вспышки репрессий, И. В. Сталин предлагал В. П. Чкалову возглавить это ведомство. Но любитель неба и самолетов отказался от этого предложения.