Приказом Реввоенсовета СССР от 12 октября 1926 г. Научно-опытный аэродром был преобразован в Научно-испытательный институт ВВС РККА (НИИ ВВС РККА). Новое название более точно отражало задачи, решаемые военной летно-испытательной организацией - с этого момента подавляющее большинство образцов авиационной техники принималось на вооружение ВВС и авиации ВМФ только после получения положительного заключения от военных испытателей.
На НИИ ВВС возлагалось:
- проведение испытания самолетов, двигателей, приборов и вооружения;
- разработка предложений по совершенствованию авиационной техники;
- разработка и проверка способов тактического применения авиатехники;
- инструктаж строевых частей ВВС по вопросу применения прошедших испытания самолетов и вооружения.
В состав НИИ ВВС вошли: управление института, шесть отделов (технический, электро-радио, аэросъемочный, применения, аэронавигационный, винтомоторный), две части: технического снабжения и административно-хозяйственная.
В сентябре 1927 г. был утвержден новый штат НИИ ВВС, по которому численность личного состава увеличивалось до 277 человек, из них летно-штурманского до 24 человек, а инженерно-технического -до 101 человек. Численность штатных самолетов в НИИ ВВС осталось прежним - 18 единиц. Согласно постановления НТК УВВС от 16 августа 1927 г., в состав НИИ ВВС влился новый самостоятельный отдел - воздухоплавательный (отдел был создан в декабре 1925 г. при Военной воздухоплавательной школе в Ленинграде, после закрытия школы передан в Военно-Воздушную Академию им Н.Е. Жуковского).
Отдел применения, возглавляемый К.И. Труновым, проводил летные испытания и исследования всех образцов авиационной техники и вооружения, поступавших в НИИ. Кроме того, отдел разрабатывал и проверял на практике тактику боевого применения образцов авиационной техники, успешно прошедших летные испытания и принятых на вооружение ВВС. Отдел также проводил войсковые, совместно со строевыми частями, испытания. В успешное решение задач, решаемых отделом применения, большой вклад внесли летчики: М.М. Громов, И.Ф. Козлов, А.Р. Шарапов, А.Ф. Анисимов, С.А. Шестаков, Н.А. Шауров, М.А. Волковойнов, А.В. Чекарев, Д. Луганский, С. Корзинщиков, К.К. Попов.
За период 1926-29 гг. в НИИ ВВС было испытано 960 объектов авиационной техники и вооружений, в том числе 195 самолетов, 421 объект спецоборудования и 61 объект вооружений; проведено 88 научно-исследовательских работ, издано 65 печатных работ, переучено на новую технику 60 летчиков строевых частей.
В сентябре 1927 г. в НИИ ВВС поступил на испытание истребитель цельнометаллический конструкции И-4. Испытания И-4 проводили М.М. Громов, А.Ф. Анисимов, А.Б. Юмашев, И.Ф. Козлов По результатам испытаний в декабре 1927 г. было принято решение о запуске И-4 в серийное производство. В январе 1928 г. был изготовлен и принят на испытание новый опытный экземпляр самолета У-2. Испытание проводил М.М. Громов. НИИ ВВС все чаще проводил инициативные работы, так в 1929 г. по предложению А.Б. Юмашева и по им же разработанной методике начали проводиться испытания самолетов на устойчивость и штопор.
В связи с развитием ВВС и расширением круга задач, решаемых Институтом, на повестку дня встал вопрос о его реорганизации с целью превращения в единый технический центр и основной контрольный орган ВВС. Приказом РВС СССР от 26 июня 1929 г. было введено новое положение об Институте, согласно которому он становился «техническим контрольным средством ВВС и имел своим назначением производство научно-испытательных работ по всем отраслям применения Военно-Воздушных Сил и по усовершенствованию их материальной части и вооружения». Подчинение Института осталось прежним.
Институт значительно расширился, в него вошло 11 отделов:
- 1-й отдел, применения: летные испытания авиационной техники и разработка тактики боевого применения;
- 2-й отдел, воздушных испытаний: опытное производство, испытания и эксплуатация самолетов;
- 3-й отдел, вооружение;
- 4-й отдел, аэронавигационный: испытания аэронавигационного оборудования самолетов, изучение вопросов аэронавигации;
- 5-й отдел, технический: вопросы эксплуатации самолетов, рассмотрение проектов изменений и доработок авиационной техники и парашютов, выдача заключений по изделиям, проведение химических анализов материалов, ГСМ по заданию других отделов Института, разработка пособий, наставлений и руководств;
- 6-й отдел, винтомоторный: испытание авиадвигателей, исследования и подбор топливных смесей для новых двигателей, с 1930 г. возглавил все работы по авиационным ГСМ;
- 7-й отдел, радио: испытания самолетной и наземной радиоаппаратуры;
- 8-й отдел, электротехнический: испытания электрооборудования самолетов и светотехнического оборудования аэродромов;
- 9-й отдел, аэросъемочный (фототехнический): испытания фотооборудования самолетов и исследования различных образцов фотоматериалов;
- 10-й отдел, воздухоплавательный: испытания аэростатов, дирижаблей, лебедок, гондол, гондольных парашютов, снаряжения аэростатов, воздухоплавательных материалов;
- 11-й отдел, административно-технический и санитарной части: снабжение, ремонт, обеспечение всех работ проводимых в Институте.
Очередное структурное реформирование НИИ ВВС претерпел в мае 1931 г., когда количество отделов увеличили до 19, сформировали авиапарк, авиагруппу и Центральный авиационный полигон. Авиагруппа вскоре была преобразована в авиабригаду, первым командиром которой стал А.А. Туржанский. В бригаде работали летчики А.Б. Юмашев, М.М. Громов, С.М. Иванов, А.Ф. Анисимов, П.М. Стефановский, В.А. Степанченок, И.Ф. Петров, И.Ф. Козлов, Ж.В. Паунтас, В.О. Писаренко, В.Г. Рахов, А.Г. Растригин, В.И. Фортинский, В.М. Жарновский. Ощущая острую нехватку личного состава, командование авиабригады с разрешения начальника ВВС Я.И. Алксниса в 1931 г. совершило инспекторскую поездку по строевым частям ВВС и отобрало летчиков для НИИ ВВС, в их число попал и Г.Ф. Байдуков. Несколько раньше по ходатайству ряда работников в НИИ ВВС из ОСАВИАХИМА был переведен В.П. Чкалов.