Конструкция самолётов была деревянная, с полотняной обшивкой крыльев и оперения. Переход с дерева на металл явился важным этапом в развитии авиации. Была создана специальная комиссия по металлическому самолётостроению (Туполев, И. И. Сидорин, В. М. Петляков, А. И. Путилов, И. И. Погосский и др.). Несмотря на трудности становления в условиях 20-х гг. цельнометаллических самолётостроения, были созданы первый цельнометаллический самолёт ЛНТ-2 (1924) и первый серийный самолёт из нового материала — кольчугалюминия АНТ-З (1925).
Создание авиационной промышленности явилось одной из главных задач 1-го пятилетнего плана (1929—32). Для развёртывания научно-исследовательских работ из ЦАГИ были выделены: отдел авиационных материалов, преобразованный затем во Всесоюзный институт авиационных материалов (ВИАМ); винтомоторный отдел (после слияния с авиационным отделом Научно-исследовательского автомобильного и автомоторного института стал Центральным институтом авиационной моторостроения — ЦИАМ). Наряду с крупными КБ Туполева и Поликарпова имелись небольшие КБ К. А. Калинина, Григоровича, Путилова, А. С. Яковлева, В. Б. Шаврова, Г. М. Бериева и др. Советские лётчики на самолётах отечеств. конструкций совершили перелёты, прославившие Советский Союз (В. П. Чкалов, М. М. Громов, В. К. Коккинаки, М. В. Водопьянов, В. С. Гризодубова и др.).
В 30-х гг. в самолётостроении произошли важные качественные изменения. Существенно улучшились лётные данные, решены проблемы флаттера и выхода из штопора; создание Поликарповым самолёта И-16 положило начало распространению в авиации истребителей монопланной схемы. Стали применяться убирающиеся в полёте шасси, герметичная кабина, турбокомпрессор для повышения высотности, механизация крыла, усовершенствованная винтомоторная установка, пушка, стреляющая через винт, потайная клёпка, новые высокопрочные материалы и т. д. Конструкторы ЦАГИ продолжали начатые в 1925—26 работы по созданию вертолётов (ЦАГИ 1-ЭА). Было построено несколько опытных аппаратов одновинтовой схемы под общим руководством Юрьева, а затем И. П. Братухина («Омега» и др.); наметился путь дальнейшего прогресса и усовершенствования вертолётов и создания машин, пригодных к практической эксплуатации.
В 1939 ЦК ВКП(б) и правительство приняли постановление «О реконструкции существующих и строительстве новых самолётных заводов»; был организован Народный комиссариат авиационной промышленности. Конструирование самолётов поручили КБ А. А. Архангельского, С. В. Ильюшина, С. А. Лавочкина, Ар. И. Микояна, Петлякова, П. О. Сухого. В результате теоретических и экспериментальных исследований (в аэродинамических трубах и других установках) были определены более совершенные формы многих элементов самолётов, обеспечивающие малое лобовое сопротивление, хорошие пилотажные и взлётно-посадочные качества; построены истребители ЛаГГ-3, МиГ-3, Як-1, бомбардировщики Пе-2, Пе-8, Су-2, Ил-4, С Б, штурмовик Ил-2 с высокими лётно-техническими характеристиками.
В конце 30-х гг. при крупных моторных заводах были созданы КБ (ставшие позднее самостоятельными опытными организациями), которые возглавили А. А. Микулин, В. Я. Климов, С. К. Туманский, А. Д. Швецов, В. А. Добрынин и др. Эти коллективы сосредоточили усилия на разработке и доводке новых конструкций авиационных моторов, а ЦИАМ обеспечивал научно-техническая помощь в их проектировании. К началу Великой Отечественной войны 1941—45 скорость истребителей достигла 600—650 км/ч, потолок — 11—12 км; скорость бомбардировщиков 550 км/ч, дальность полёта 3—4 тыс. км, бомбовая нагрузка 4 т.
В годы войны, несмотря на трудности, возникшие вследствие эвакуации, авиационная промышленность успешно снабжала фронт самолётами. Появились лёгкие, манёвренные, хорошо вооружённые истребители, штурмовики и бомбардировщики (Як-3, Ла-5, Ил-6, Ил-8, Пе-3, Ту-2 и др.). При разработке конструкций новых самолётов учитывалась потребность их серийного производства и возможность последующих модификаций, исходя из требований военной обстановки и условий эксплуатации. Обеспечивая нужды фронта, авиационная промышленность только в 1943, например, дала армии 35 тыс. боевых самолётов.
После войны в военной и гражданской авиации наметился переход от поршневых двигателей к реактивным. В СССР разработка воздушно-реактивных двигателей (ВРД) была начата ещё в конце 30-х гг. (Б. С. Стечкин создал теорию ВРД). В 1943—44 А. М. Люлька разработал проект первого советского турбореактивного двигателя (ТРД). Проводились эксперименты с применением жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) — полёты ракетоплана РП-318 в 1940 (С. П. Королев) и самолёта БИ-1 (А. Я. Березняк и А. М. Исаев) в 1942. В 1945 начались полёты самолётов И-250 (ОКБ Микояна) и Су-5 с мотокомпрессорным двигателем. Но эти два направления не получили дальнейшего развития из-за большого удельного расхода топлива в ЖРД и из-за ограниченных возможностей мотокомпрессорных двигателей. Применение ТРД обеспечило быстрый прогресс авиации. Созданием самолётов МиГ-9 и Як-15 (1946) было положено начало практическому применению реактивных двигателей в советской авиации. С 1947 началось серийное производство реактивных истребителей МиГ-15.
Одновременно велись работы по снижению веса конструкции и улучшению аэродинамического качества, снижению потерь на охлаждение и т. д. Создание стреловидного крыла — важный этап в развитии реактивной авиации. Большое значение для развития авиационной науки имело получение в аэродинамической трубе с перфорированными стенками рабочей части околозвуковой скорости потока с непрерывным переходом через скорость звука (ЦАГИ, 1947). Особенно важными для практики были результаты исследований аэродинамики стреловидных крыльев и крыльев малого удлинения, а также устойчивости и управляемости самолётов с крыльями и оперением новых форм, что в сочетании с использованием ТРД обеспечило достижение околозвуковых скоростей, а в дальнейшем и значительно превышающих их. Ла-160 (1947) — первый советский экспериментальный самолёт со стреловидным крылом (скорость до 1050 км/ч). Ла-176, на котором в 1948 была достигнута скорость звука, имел крыло увеличенной стреловидности (45°).
В конце 40 — начале 50-х гг. в области исследования больших скоростей работали М. В. Келдыш, С. А. Христианович, Г. И. Петров, М. Д. Миллионщиков, Л. И. Седов. Исследования В. В. Струминского, Г. П. Свищева, А. А. Дородницына, Г. С. Бюшгенса и других учёных позволили разработать новые формы крыльев, органы управления, оперение околозвуковых самолётов. В области прочности самолётных конструкций работали А. И. Макаревский, В. Н. Беляев, А. М. Черёмухин и др.
В начале 50-х гг. были созданы самолёты: Ил-28 — тактический бомбардировщик, Як-25 — всепогодный истребитель-перехватчик; М-4, М-6 (В. М. Мясищев), Ту-16 — дальние стратегические бомбардировщики. Появились вертолёты конструкции М. Л. Миля — Ми-1 и Ми-4, Н. И. Камова — Ка-15, Ка-16 и др., в конце 50 — начале 60-х гг.— Ми-6, Ми-8, Ми-10, в конце 60-х гг.— Ми-12, Ка-25, Ка-26. В 50-х гг. благодаря успехам в аэродинамике и двигателестроении авиация стала сверхзвуковой. Для экспериментальных исследований рациональной компоновки сверхзвуковых самолётов были построены новые аэродинамические трубы и специальные установки для изучения сверхзвуковых диффузоров, сопел и испытаний моделей на флаттер. Необходимые аэродинамические характеристики достигались применением тонких треугольных крыльев и крыльев большой стреловидности. Первый советский серийный сверхзвуковой самолёт Миг-19 имел скорость до 1450 км/ч. Учёные приступили к решению проблемы т. н. теплового барьера и обеспечения длит. полёта на гиперзвуковых скоростях. В 1954 впервые в СССР был применен титан в элементах крыла и других теплонапряжённых агрегатах, а также освоена технология изготовления титановых конструкций.
50—60-е гг. ознаменовались дальнейшим повышением лётно-тактических данных боевых самолётов, что было обусловлено достижениями отечественной авиационной науки в области аэрогазодинамики, прочности, систем управления, технологических процессов, в создании конструкционных материалов и развитием двигателестроения, приборостроения и ряда смежных отраслей промышленности. Сверхзвуковые самолёты оснащаются мощными, лёгкими, экономичными двигателями, созданными в коллективах, руководимых Туманским, Люлькой, Добрыниным, Н. Д. Кузнецовым, П. А. Соловьевым, А. Г. Ивченко. На воздушных парадах в Тушине (1961) и Домодедове (1967) были продемонстрированы новейшие образцы боевой авиационной техники, среди них сверхзвуковые: истребитель МиГ-21, многоцелевой Як-28, истребитель-бомбардировщик Су-7, стратегический бомбардировщик-ракетоносец М-50 (Мясищев). Были впервые показаны самолёты вертикального взлёта и посадки и лёгкие истребители с изменяемой геометрией крыла в полёте. К середине 60-х гг. скорость полёта самолётов достигла 3000— 3500 км/ч, потолок — свыше 30 км, дальность — свыше 10 тыс. км (с дозаправкой горючего в воздухе она стала ещё больше).