Эпоха 20-х годов вообще богата авиационными перелетами, во многих из Больших Советских Перелетов принимали участие специалисты НОА. В 1925-1926 г.г. для поднятия международного престижа советской авиации было принято решение провести ряд больших перелетов, подготовка которых велась НОА. В феврале 1925 г. летчик Иншаков выполнил на Р-1 перелет Москва —  Харьков —  Смоленск — Москва, в марте —  летчик Ф. Расстегаев тоже на Р-1 выполнил перелет по маршруту Москва - Ленинград - Смоленск - Москва В июне 1925 г. летчики М.М. Громов, М.А. Волковойнов, А.И. Томашевский, борттехники В.П. Кузнецов и Н.А. Камышев выполнили международный групповой перелет Москва — Пекин —  Токио на самолетах АК-1, Р-1 и Р-2. В 1926 г. М.М. Громов с бортмехаником Е.В. Радзевичем на самолете Р-3 «Пролетарий» выполнили за трое суток (с 30 августа по 2 сентября) перелет Москва —Кенигсберг — Берлин — Париж — Вена — Прага — Варшава — Москва протяженностью 7150 км. Перелеты продолжались и в дальнейшем. В 1929 г. на самолете ТБ-1 «Страна Советов» летчик Шестаков со вторым пилотом Болотовым, штурманом Стерлиговым и бортмехаником Фуфаевым выполнили перелет по маршруту Москва —  Омск —  Хабаровск —  Петропавловск-на-Камчатке —  остров Атту — Сиэтл — Сан-Франциско — Нью-Йорк протяженностью 21242 км за 137 часов летного времени. Выдающиеся перелеты в 1929 г. совершил М.М.Громов на самолете АНТ-9 «Крылья Советов»: сначала, в ходе летных испытаний, Москва — Одесса — Севастополь — Одесса —  Киев —  Москва, а после завершения испытаний, прошел по маршруту Москва — Травемюнде —  Берлин —  Париж —  Рим —  Марсель —  Лондон —  Париж — Берлин —  Варшава —  Москва (9037 км за 53 часа полетного времени с 8-ю пассажирами).

М.М. Громов в кабине самолета «Максим Горький»	Подготовка к полету через Северный полюс самолета АНГ-25 экипажа В.П. Чкалова

Выпуск почтовых марок, посвященный перелету экипажа В. П. Чкалова через Северный полюс

Несомненно, венцом Больших Советских Перелетов стали полеты экипажей В.П. Чкалова и М.М. Громова в США через Северный полюс. Экипажи НИИ ВВС установили несколько мировых авиационных рекордов, хотя не все из них были таковыми признаны, так как СССР вступил в FAI только в середине 30-х годов:

10 августа и 7 сентября 1935 г. летчик В.К. Евсеев установил рекорд высоты полета 10080 м и 12020 м;
21 ноября 1935 г. летчик В.К. Коккинаки на специально доработанном самолете И-15 достиг высоты 14575 м;
29 апреля 1936 г. летчик П.М. Стефановский и штурман П.И. Никитин совершили перелет по маршруту Москва - Севастополь - Москва;
20 июля 1936 г. летчики В.П. Чкалов, Г.Ф. Байдуков, штурман А.В. Беляков на самолете АНТ-25 совершили беспосадочный перелет по маршруту Москва - остров Удд (9374 км);
11 ноября 1936 г. летчики Ершов и Липкин на самолете конструкции В.Ф. Болховитина установили рекорд поднятия груза весом в 1 тонну на высоту 7032 м;
20  ноября 1936 г. летчики М.А. Нюхтиков и М.А. Липкин на самолете конструкции В.Ф. Болховитина установили рекорд поднятия груза в 13000 кг на высоту 4535 м;
21   мая 1937 г. совершен перелет на Северный полюс с посадкой на лед, от НИИ ВВС в нем принимали участие штурман И.Т. Спирин, инженеры Д.П. Шекунов и П.П. Печин;
18 июня 1937 г. начался перелет В.П. Чкалова, Г.Ф. Байдукова и А.В. Белякова на самолете АНТ-25 из Москвы в США через Северный полюс (8504 км);
12 июля 1937 г. летчики М.М. Громов, А.Б. Юмашев и штурман С.А. Данилин на самолете АНТ-25 совершили перелет Москва - Северный полюс - Сан-Джасинто (10148 км), установив мировой рекорд дальности полета;
в декабре 1936 г. летчики Доброславский и Егоров со штурманом Ахапкиным на ТБ-3 выполнили перелет из Ейска в Чкаловскую, весь маршрут экипаж пилотировал самолет по приборам.

К 1925 г. с увеличением объема работ потребовалось расширение деятельности НОА В состав НОА теперь входили четыре отдела (летный, научно-технический, электротехнический, аэросъемочный), центральная аэронавигационная станция, административно-строевое отделение и часть технического снабжения. Научно-Опытный аэродром подчинялся непосредственно Начальнику ВВС СССР, а в отношении выполнения научно-испытательных задач - Председателю НТК УВВС СССР. В летном отделе, возглавляемом В.В.Карповым, работали летчики М.М. Громов, М.А. Волковойнов, А.И. Томашевский, Н.Т. Захаров, В.И. Коровин, А.Д. Ширинкин, В.Н. Филлипов, И.Ф. Козлов, Ф. Федоров, Лапин, А.Р.Шарапов, Н.И. Шауров; летчик-наблюдатель B.C. Вахмистров; штурманы Б.В. Стерлигов, С.А. Данилин, И.Т. Спирин.

Всего за период 1924-1926 г.г. в НОА выполнены следующие основные работы: проведены испытании 70 самолетов различных типов, 150 объектов спецоборудования самолетов и 100 объектов вооружения. В августе 1925 года в НОА на госиспытание поступил двухместный самолет-разведчик Р-3 (АНТ-3). Летные испытания проводились до 1926 г. летчиками В.Н. Филипповым, М.М. Громовым, В.С. Вахмистровым.

31 марта 1926 г. в девятом полете произошла катастрофа опытного самолета 2ИН-1 (ДИ-1) конструкции Н.Н. Поликарпова, погибли летчик НОА В.Н. Филиппов и хронометрист В.В. Михайлов — первые, но, увы, не последние жертвы военных летчиков-испытателей.