С 1930 г. Чкалов стал лётчиком-испытателем сначала НИИ ВВС, потом одного из авиазаводов. Он летал на разных видах самолётов, но чаще других ему доводилось испытывать истребители Поликарпова.
Весной 1936 года лётчики Чкалов, Байдуков и штурман Беляков обратились в правительство с просьбой организовать беспосадочный перелёт из Москвы в Америку через Северный полюс. По предложению Сталина конечной целью арктического рейса, получившего название Сталинский маршрут, была выбрана Камчатка.
21 июля 1936 г. специально созданный в КБ Туполева для сверхдальних полётов самолёт АНТ-25 под управлением Чкалова, Байдукова, Белякова стартовал с аэродрома в Москве в направлении Арктики. Полёт проходил над архипелагами Франца-Иосифа и Северной земли; над тайгой, безлюдными, пустынными областями; над Северным Ледовитым океаном. Лётчикам досаждали циклоны и частые обледенения, туманы и плохая видимость. Тем не менее длительный – пятидесятишестичасовой – непрерывный полёт завершился успешно. 24 июля 1936 года самолёт приземлился на острове Удд в заливе Счастья Охотского море. В тот же день в “Известиях” была напечатана статья Валерия Чкалова “За доблесть Родины”, рассказывавшая об их полёте.
По представлению Сталина всем троим участникам полёта было присвоено звание Героя Советского Союза и выдана значительная денежная премия. Острова Удд, Лангр, Кэос Охотского моря были переименованы в Чкалов, Байдуков, Беляков.
10 августа экипаж возвратился с Дальнего Востока на своём самолете, делая по пути остановки в сибирских городах. На московском аэродроме лётчиков встретили Сталин, Орджоникидзе, Ворошилов.
25 мая 1937 года правительство приняло решение об организации трансарктического полёта из Москвы в США через Северный полюс.
18 июня 1937 г. тот же АНТ-25 с экипажем в составе Чкалова, Байдукова, второго пилота, и штурмана Белякова стартовал с аэродрома в Москве в направлении самой северной точки Земли.
Этот полёт был ещё более сложным, чем предыдущий, – как по метеоусловиям, так и по маршруту, проходившему и над Северным полюсом, и над Скалистыми горами Канады. Помимо частых циклонов, неоднократных опасных обледенений, кислородного голодания лётчики в конце полёта потеряли радиосвязь с землёй. Однако и этот перелёт, занявший более 63 часов, завершился успешно. 20 июня АНТ-25 приземлился на аэродроме близ Портленда (штат Вашингтон).
После посадки члены экспедиции получили подписанную руководством страны приветственную радиограмму:
