机翼特别细长的 ANT-25 好像滑翔机一样，所以可以最大限度地节约燃油和增加航程，缺点是速度较低，起落控制也很不容易
机翼蒙皮原本是波纹板，为了减小表面积和摩擦阻力，外敷漆布
但苏霍伊的名气开始真正开始于 ANT-25。1931 年，伏罗希洛夫建议研制航程达 13,000 公里的超远程飞机，图波列夫开始初始设计，但委任苏霍伊主持具体设计。设计在 1932 年完成，TsAGI 提供了理论计算和技术支持。这是一架全金属、单发下单翼的飞机，机翼特别细长，翼展比机身还长 2.5 米。巨大的翼内油箱使 52% 的起飞重量为燃油，极大地增加了航程。巨量的翼内燃油也降低的翼载，便于空出机身内的容积，用于装载人员和货物。但是展弦比高达 13.3 的大翼展导致了结构颤振问题，不加以妥善处理，会造成机翼结构散架。但 30 年代时，颤振理论十分粗糙，只知道颤振和速度有关，为了保险而一味降低速度不是个办法，但什么样的机翼在什么速度下会发生颤振并不清楚。负责气动理论保障的 TsAGI 有两条途径，一是制造一个 ANT-25 的机翼，在风洞里实测。这样的结果可靠，但成本高，对未来设计的指导意义不大。第二个途径是理论分析，建立完整的颤振理论，从理论上根据翼型、翼展计算颤振速度。TsAGI 冲破了困难，在米斯梯斯拉夫·凯尔迪什的领导下，最终成功地建立了颤振理论，成功地预估了颤振速度，解决了 ANT-25 的机翼气动问题。
克服种种技术困难后，ANT-25 终于在 1933 年 6 月 22 首飞，但试飞结果表明，速度和航程都低于设计指标。仔细分析后，发现原因在于波纹金属板的机翼蒙皮。使用波纹板可以增强刚度，但波纹板大大增加了表面积，增加了摩擦阻力。于是机翼表面用涂漆的麻布覆盖，既不增加太大的重量，又解决了阻力问题。第一次正式飞行是 1934 年 6 月 30 日，由格罗莫夫和费林掌舵，领航员是斯佩林，从莫斯科起飞，在西伯利亚的一个名叫科比的小村降落，航程 4,465 公里，历时 27 小时 21 分钟。7 月 24 日，格罗莫夫的机组再次远航，成功地从莫斯科不着陆直飞远东的阿穆尔-尼古拉耶夫斯克（庙街），航程 6,559 公里，历时 39 小时 1 分钟。在莫斯科起飞时，跑道终端有一个水泥跳板，就像现在“库兹涅佐夫”号航母一样，帮助飞机起飞。格罗莫夫因此获得苏联英雄的称号。
受到格罗莫夫远航的鼓励，试飞员、苏联英雄莱万涅夫斯基提议跨越北极直飞美国，重工业人民委员奥尔忠尼启则直接命令苏霍伊负责试飞事宜。1935 年，莱万涅夫斯基和另外两名飞行员试图从苏联本土直飞旧金山，但飞行 2,000 公里后，在白令海峡上空发现发动机漏油，只得返航，在诺夫哥罗德降落。副驾驶发现漏油停止了，建议继续飞行，但莱万涅夫斯基对单发飞机飞越北极产生怀疑，最后还是放弃了。此后曾有打算将 ANT-25 改装成双发，但无果而终。
另一个试飞员契卡洛夫给斯大林写信，建议恢复直飞美国。斯大林建议在苏联境内横穿飞行，于是莫斯科到堪察加半岛的彼得洛巴甫洛夫斯基的航线诞生，也称斯大林航线。苏霍伊在一号机的经验上，对二号机进行了很大的改动，TsAGI 理论计算表明，航程将增加 8%，升限增加 400 米，3,000 米以上的爬升率增加 7%。苏霍伊还使得 ANT-25 可以在水面上作经济降落，必要时可以将机翼内的燃油放空一些，启动紧急气囊，增加浮力。
1936 年 6 月 20 日，契卡洛夫机组完成了斯大林航线的壮举，三人都因此获得苏联英雄的称号。这次超远程飞行也暴露了飞行中的结冰问题，TsAGI 为此研制了除冰装置。契卡洛夫的 ANT-25 参加了著名的土希诺空中表演，受到人们的热烈欢呼。飞机还在 1936 年 11 月前往巴黎，参加巴黎航展，向世界展示苏联的航空成就。
ANT-25 跨越北极的壮举为苏联赢得了极大的荣誉和尊敬
但 ANT-25 最辉煌的时刻在莫斯科时间 1937 年 6 月 18-20 日，契卡洛夫机组驾机穿越了北极，从莫斯科直飞美国俄勒冈州的波特兰，航程 9,130 公里，历时 63 小时 25 分钟。，其中很大一部分是没有地标和地面导航的盲飞。三个星期后，格罗莫夫机组再飞美国，这一次直达加州的 San Jacinto，航程 11,500 公里，历时 62 小时 17 分钟。这个纪录一直到 1946 年末才被打破。
苏联空军当然不会没有注意到 ANT-25 的航程，但 ANT-25 像有动力的滑翔机一样的设计使速度很低，装载人员和武器的能力很小，所以没有太大的实战价值，只造了 20 架命名为 DB-1 的轰炸机就停产了，也没有正式列装。当然，20 年以后，有动力滑翔机的概念在 U-2 侦察机上得到成功的应用，再过 30 年，同样的概念才在苏联复活，可惜米亚西斯切夫 M-17 生不逢时，正好撞上了苏联解体，不过这是后话了。
在 ANT-25 之后，苏霍伊还设计了双发的 ANT-37，空军代号 DB-2。设计航程 5,000 公里，载弹量 1,000 公斤。1935 年 6 月 16 日第一架飞机下线，但在 20 日的试飞中，由于制造过程中的失误，飞机坠毁，飞行员和随机工程师侥幸逃生，但随行的技术员不幸身亡。这也是一个航空技术飞速发展的时期，空军的要求与时俱进。二号机虽然最后成功试飞，但载弹-航程已经不再能满足空军的要求，没有投产。不过苏霍伊将 ANT-37 改装为创纪录的运动飞机，由全女子机组创造了女子航程纪录，全程 5,908 公里，历时 26 小时 29 分钟。
由于苏霍伊出色的成就，他在 1938 年升任图波列夫设计局的副总设计师。
雏鹰展翅
30 年代中期，俯冲攻击的轻型轰炸机的概念得到各国空军的赏识。这种轻轰相对简单，容易大量部署。俯冲轰炸精度高于水平轰炸，还可以装备航炮或机枪，用于俯冲扫射和直接攻击。轻轰对跑道的要求地，具有较大的航程，所以也适用于侦察甚至作为远程护航战斗机为重轰护航等。德国的“斯图卡”就是一架具有部分这样特征的多用途轻轰，苏联当然也开始了自己的设计。由于图波列夫另有任用，图波列夫制定佩特里亚科夫作为第一副总，实际代管设计局，苏霍伊作为副总，作为佩特里亚科夫的副手。1935 年，苏霍伊开始了新型多用途轻轰的设计；1936 年，苏联空军正式下达设计任务；1937 年，名为 SZ-1 的新的轻轰一号机组装完成，SZ 是 Stalinskoye Zadaniye 的缩写，意为斯大林交给的任务。时逢 TsAGI 的首席试飞员格罗莫夫刚从历史性的莫斯科-旧金山飞行回来，他马上就投入了 SZ-1 的试飞。试飞结果十分理想，操纵轻巧，飞行性能良好。1937 年 12 月间，二号机开始建造，1938 年 1 月完成，2 月 21 日到 3 月 25 日间，SZ-2 进行国家鉴定试飞。试飞表明，速度和航程略低于设计要求，建议换装更大功率的发动机后予以投产。