1930 г. рукописи статьи «Нормы прочности самолетов при статических испытаниях», к сожалению, так и не опубликованной.
В феврале 1931 г. ВАО вновь было передано в ВСНХ. Улучшилась связь авиационной промышленности с другими отраслями народного хозяйства.
В результате реорганизации ЦКБ были сформированы конструкторские бригады постоянного состава, которые получили право курировать весь процесс проектирования и изготовления опытных машин, тогда же Николая Николаевича назначили начальником бригады № 3.
14 марта 1931 г. освободили многих конструкторов, включая Д. П. Григоровича, но Николай Николаевич еще оставался в заключении.
18 марта 1931 г., спустя полтора года после ареста, Коллегия ОГПУ постановила:
Николай Николаевич обвинялся по статьям УК РСФСР 58-6 (шпионаж), 58-7 (подрыв государственной промышленности в контрреволюционных целях) и 58–11 (организованная деятельность или участие в организации для подготовки одного из преступлений, предусмотренных первой главой — «Преступления государственные» — особенной части УК РСФСР).
Семья долго оставалась в неведении в отношении дальнейшей судьбы Николая Николаевича. Александра Федоровна пыталась узнать, в чем его обвиняют, скоро ли он выйдет на свободу. Через Красный Крест у влиятельной Е. М. Пешковой она получила справку о том, что Н. Н. Поликарпов приговорен к смертной казни с заменой на пожизненную ссылку в отдаленных районах Сибири.
Николай Николаевич продолжал руководить бригадой № 3. Теперь она получила новое задание спроектировать истребитель И-11. Для его успешного выполнения численность бригады увеличили. Среди инженеров, оказавшихся в этом коллективе, был и Дмитрий Людвигович Томашевич, впоследствии главный конструктор авиационной и ракетной техники. Он вспоминал:
Причудливы и извилисты дороги жизни.
В середине июня 1931 г. состоялся смотр авиационной техники. На Центральный аэродром прибыли Сталин, Ворошилов, Орджоникидзе, другие партийные и государственные деятели. В печати об этом событии не появилось ни строчки. Правительственные машины прибыли в одиннадцать часов. Начальник ВВС П. И. Баранов отдал рапорт Председателю Совнаркома. На летном поле выстроились истребители, разведчики, бомбардировщики, в том числе готовая к вылету пара истребителей И-5, за ними на стоянке — И-3, И-4, а рядом, для сравнения, французский истребитель «Потез», отечественные разведчики Р-5, опытный экземпляр бомбардировщика ТБ-3, другие машины.
Сталин приблизился, дымя папиросой. Когда до стоянки истребителей оставалось около десяти шагов, комбриг А. А. Туржанский подошел к Сталину и громко сказал: «Извините, Иосиф Виссарионович, может быть, Вы здесь докурите? У самолетов нельзя…» Его поддержал начальник ВВС П. И. Баранов. Сталин остановился и, ничего не сказав, каблуком вдавил окурок в землю. В принципе и Туржанский, и Баранов были правы: правила пожарной безопасности являются общими для всех. Однако то же самое можно сказать полушепотом, в стороне, не привлекая внимания. Существуют определенные нормы взаимоотношений, согласно которым считается неэтичным распекать учителя в присутствии учеников, командира — перед строем солдат, а государственного деятеля — публично перед гражданами государства. И хотя Сталин ничем не высказал своего неудовольствия, настроение его изменилось.
Осмотрев бомбардировщик ТБ-3, Сталин захотел полетать на нем, но П. И. Баранов отказал, так как самолет был опытным. Последовал вопрос: «Почему затягиваются сроки испытаний?»
Делегация подошла к истребителям. Новый вопрос: «Почему на них нет радио?»
Объяснения по самолету И-5 давал Н. Н. Поликарпов, по его вооружению — А. В. Надашкевич (каждый приговорен на десять лет заключения). Недавно выпущенный на свободу Д. П. Григорович предпочел не рисковать и под разными предлогами не явился на смотр. Из-за стечения обстоятельств стоянка И-5 находилась неподалеку от ангара, где жили заключенные конструкторы. После докладов Сталин, кивнув в сторону седьмого ангара, спросил у Надашкевича: «А вас здесь не угнетают?» Сталин, до революции сам сидевший в тюрьме и побывавший в ссылке, не мог не знать, что даже самая красивая и удобная тюрьма всегда останется только тюрьмой. Но смысл вопроса состоял в другом. Намек, содержавшийся в нем, относился прежде всего к членам делегации и сопровождающим.
Затем летчики Чкалов и Анисимов с блеском продемонстрировали И-5 в воздухе. Состоялись полеты и других самолетов — ТБ-3, Р-5.
Результаты смотра сказались довольно быстро. Через неделю П. И. Баранов был отстранен от должности начальника ВВС и временно назначен руководить Авиаобъединением. Новым начальником ВВС стал А. И. Алкснис.
28 июня 1931 г. Коллегия ОГПУ постановила: приговор в отношении Н. Н. Поликарпова считать условным. 7 июля 1931 г. Президиум ЦИК СССР принял решение об амнистии группы лиц, в том числе Н. Н. Поликарпова, продублированное 8 июля соответствующим постановлением Коллегии ОГПУ.
Николай Николаевич, как только узнал об амнистии, сразу позвонил по телефону в квартиру и сказал, что едет домой. Вскоре его привез на своей машине заводской летчик-испытатель Б. Л. Бухгольц.
Однако до конца дней своих Н. Н. Поликарпов не был реабилитирован, оставаясь «прощеным преступником». И только после смерти конструктора, после получения характеристик и рекомендаций от С. В. Ильюшина, А. Н. Туполева, 1 сентября 1956 г. Военная коллегия Верховного суда СССР отменила решение Коллегии ОГПУ от 18 марта 1931 г. и прекратила дело в отношении Н. Н. Поликарпова «за отсутствием состава преступления».

Заключение наложило отпечаток на характер Николая Николаевича. Он стал более замкнутым, сдержанным.
Однако нормально бригада № 3 смогла работать только полгода. Последовала новая реорганизация.
27 августа 1931 г. приказом по ВАО за номером 265 ЦКБ было введено в состав ЦАГИ, а начальником ЦАГИ был назначен Н. Е. Пауфлер. В ЦКБ включили конструкторские бригады ЦАГИ, ранее подчинявшиеся