Чкалов вернулся в Ленинград и долго не мог устроиться на работу. Наконец его приняли летчиком-инструктором в ленинградский Осоавиахим. На самолете «юнкере» он катал желающих. Конечно, это было совсем не то, о чем он мечтал но другой возможности находиться в небе не представлялось. А летать Чкалову было совершенно необходимо. Без этого он сразу мрачнел, скучнел и терял интерес к жизни. Простили Чкалова только в конце 1930 г., да и то лишь благодаря заступничеству друзей, которые не уставали все это время просить начальство за опального летчика. В ноябре 1930 г. Чкалова зачислили летчиком-испытателем в Научный испытательный институт ВВС Красной Армии, летная часть которого базировалась в Москве на Центральном аэродроме. Вместе с женой Чкалов переехал в столицу. (В 1927 г. он женился на ленинградской учительнице Ольге Ореховой.) Началась новая пора в его жизни.
Работая в НИИ, Чкалов вскоре освоил все типы современных советских самолетов: истребители, разведчики, бомбардировщики, грузовые и спортивные Им было испытано несколько новых самолетов, которые в то время в большом количестве начала поставлять армии молодая авиационная промышленность В 1933 г Чкалов мобилизовался из армии и сразу был принят летчиком-испытателем на авиационный завод имени Менжинского, где главным конструктором работал Николай Поликарпов. В том же году он провел испытания нового истребителя «И-15». Потом были «И-153», «И-16», «И-17». Всем этим истребителям Поликарпова дал путевку в жизнь именно Чкалов. Как и любой испытатель, он часто бывал на волосок от гибели, но его спасало необычайное мастерство. Однажды при испытаниях «И-16» застопорилась левая нога шасси Чтобы заставить ее выйти, Чкалов в течение получаса выделывал немыслимые фигуры высшего пилотажа, то и дело входил в штопор и выходил из него с огромными перегрузками. Меняя их направление и силу, он в конце концов заставил шасси выйти. В другой раз, когда такая же неисправность произошла с «И-17», Чкалов умудрился посадить самолет на одно шасси, хотя по всем правилам должен был бросить машину и спускаться на парашюте. (Он часто говорил об огромной ответственности испытателя, которому доверяет результаты своего труда коллектив целого завода. Разбить опытную машину — значит погубить многомесячную работу многих тысяч людей.) В 1935 г. во время одного из полетов на «И-16» в воздухе развалился двигатель. Чкалову пришлось садиться прямо в лесу, на кроны деревьев По счастливой случайности он остался жив.
В 1935 г. Чкалову предложили принять участие в длительных беспосадочных перелетах, которые должны были продемонстрировать всему миру возросшую авиационную мощь СССР. Специально для таких дальних перелетов в КБ Туполева разработали самолет АНТ-25. В начале 1936 г. было подготовлено несколько экипажей для дальних перелетов. Начинать выпало Чкалову, Байдукову и Белякову. В июле 1936 г. они совершили свой первый перелет над Ледовитым океаном по маршруту Москва — Петропавловск-Камчатский.
Взяв старт с Щелковского аэродрома, самолет по огромной дуге облетел все северо-восточное побережье СССР. (Маршрут пролегал таким образом: Москва — Архангельск — Земля Франца-Иосифа — Северная земля — Таймыр — Тикси — Петропавловск-Камчатский — Сахалин.) Преодолев тысячи километров над морями Ледовитого и Тихого океанов, АНТ-25 через три дня добрался до установленного района. Из-за сильного обледенения пришлось совершать вынужденную посадку на острове Удд неподалеку от Николаевска-, на-Амуре.
Полет проходил в очень сложных метеоусловиях. В густых облаках и при сильном ветре Чкалов должен был часами вести машину вслепую, а под конец сажать ее на совершенно неприспособленную площадку среди оврагов и валунов. Только летчики высочайшего класса могли преодолеть все эти трудности.
Советское правительство по достоинству оценило подвиг отважного экипажа. 24 июля 1936 г. всем троим было присвоено звание Героев Советского Союза.
Чкалов кроме того получил денежную премию в 30 тысяч рублей, а его спутники — по 15 тысяч. Их имена мгновенно стали известны всей стране. На остров Удд прибыло множество приветственных телеграмм и писем. В августе, когда погода немного улучшилась, Чкалов начал обратный перелет. По пути летчики сделали посадки в Чите, Красноярске и Омске, где их встречали как героев. Но особенно праздничную встречу готовила Чкалову столица. Вся Москва была убрана флагами, и повсюду царило радостное оживление. Когда 10 августа АНТ-25 прибыл на Щелковский аэродром, его ожидало все руководство страны во главе со Сталиным. Десятки тысяч москвичей, стоя на обочинах Щелковского шоссе, приветствовали героев, засыпая их открытый автомобиль цветами.