Будучи в запасе, в начале 1929 года Чкалов вернулся в Ленинград и по ноябрь 1930 года работал в Ленинградском Осоавиахиме, где руководил школой планеристов и был летчиком-инструктором.
В ноябре 1930 года Чкалов был восстановлен в воинском звании и направлен на работу в московский Научно-исследовательский институт ВВС РККА.
За два года работы в НИИ он совершил более 800 испытательных полетов, освоив технику пилотирования 30 типов самолетов. 3 декабря 1931 года Чкалов участвовал в испытаниях авиаматки (воздушного авианосца), которая представляла собой тяжелый бомбардировщик, несший на своих крыльях и фюзеляже до пяти самолетов-истребителей.
В 1932 году НИИ ВВС был переведен с Ходынского поля в Москве на аэродром в районе города Щелково Московской области. Перебазирование из обыденного события превратилось в первый в СССР воздушный парад с пролетом над Красной площадью. 45 самолетов летели колонной по три машины в ряд, а во главе шел бомбардировщик ТБ-3 с бортовым номером 311, управляемый экипажем Валерия Чкалова.
С января 1933 года Валерий Чкалов был переведен на работу летчиком-испытателем Московского авиационного завода № 39 имени Менжинского. Совместно со своим старшим товарищем Александром Анисимовым испытывал новейшие самолеты-истребители 1930-х годов И-15 (биплан) и И-16 (моноплан) конструкции Поликарпова. Он также принимал участие в испытаниях тяжелых бомбардировщиков ТБ-1, ТБ-3, большого количества опытных и экспериментальных машин ОКБ Поликарпова. Автор новых фигур высшего пилотажа — восходящего штопора и замедленной бочки.
5 мая 1935 года авиаконструктор Николай Поликарпов и летчик-испытатель Валерий Чкалов за создание лучших самолетов-истребителей были награждены высшей правительственной наградой — орденом Ленина.
* * *
Осенью 1935 года летчик Байдуков предложил Чкалову организовать рекордный перелет из СССР в США через Северный полюс и возглавить экипаж самолета. Весной 1936 года Чкалов, Байдуков и Беляков обратились в правительство с предложением провести такой перелет, но Сталин указал другой план маршрута: Москва — Петропавловск-Камчатский, опасаясь повторения неудачной попытки Леваневского (в августе 1935 года полет С. Леваневского, Г. Байдукова и В. Левченко по маршруту Москва — Северный полюс — Сан-Франциско был прерван из-за неисправности).
Перелет экипажа Чкалова из Москвы на Дальний Восток стартовал 20 июля 1936 года и продолжался 56 часов до посадки на песчаной косе острова Удд в Охотском море. Общая протяженность рекордного маршрута составила 9 375 километров.
