Становление и развитие конструкторского бюро А.Н. Туполева во многом отличались от других отечественных авиационных КБ. Прежде всего, КБ Туполева явилось органическим воплощением и продолжением всех тех передовых тенденций, которые имелись в русской авиационной науке и технике в начале ХХ века. Созданию КБ предшествовал бурный рост интереса к проблемам воздухоплавания и авиации в России. Ярким воплощением этого стали работы Николая Егоровича Жуковского. В 1909 г. в Императорском техническом училище Жуковский начал читать курс лекции «Воздухоплавание» и руководить студенческим воздухоплавательным кружком. Среди слушателей лекции великого ученого и членов кружка незаурядными способностями и тягой ко всему новому в области авиации выделялся студент Андрей Николаевич Туполев
Институт возглавил Н.Е.Жуковский (председатель коллегии), а его первым помощником и одновременно начальником авиационного отдела стал А.Н. Туполев. Он сразу взял в свои руки организацию Института, претворяя в жизнь идеи Н.Е.Жуковкого. В результате создается институт, способный не только давать научные рекомендации, но и непосредственно руководить развитием отрасли. С самого начала в ЦАГИ развивались различные науки: о легких авиационных сплавах, их коррозии и защите от нее; об авиационных моторах; о прочности авиационных конструкций; о методике летных испытаний и многие другие. Впоследствии некоторые из этих научных направлений успешно продолжили свое развитие в специализированных институтах, таких как Всесоюзный институт авиационных материалов (ВИАМ), Центральный институт авиационного моторостроения (ЦИАМ), Летно-исследовательский институт (ЛИИ).
В 1918-1936 гг. А.Н.Туполев являлся членом коллегии и заместителем начальника ЦАГИ по опытному цельнометаллическому самолётостроению. В 1922 г. Туполев возглавил Комиссию по постройке металлических самолётов при ЦАГИ. С этого времени в системе ЦАГИ начало действовать сформированное и возглавляемое им опытное КБ по проектированию и производству цельнометаллических самолётов различных классов. По предложению самого А.Н.Туполева дату создания Комиссии - 22 октября 1922 г. - считают датой создания опытного конструкторского бюро ЦАГИ – ОКБ А.Н.Туполева.
Впервые в мировой практике А.Н.Туполев не только научно обосновал рациональность схемы свободнонесущего цельнометаллического моноплана с профилем крыла большой «строительной высоты», с двигателями, расположенными в носке крыла, но и создал такой самолёт, в то время не имевший аналогов (АНТ-4, 1926 г.). А.Н.Туполев разработал и внедрил в практику технологию крупносерийного производства лёгких и тяжёлых металлических самолётов. Под его руководством проектировались бомбардировщики, разведчики, истребители, пассажирские, транспортные, морские, специальные рекордные самолёты, а также аэросани, торпедные катера, гондолы, мотоустановки и оперение первых советских дирижаблей. А.Н.Туполев ввёл в практику отечественного самолётостроения организацию на серийных заводах филиалов основного КБ, что значительно ускорило выпуск машин и создание при КБ своих лётно-доводочных баз, что сократило сроки проведения как заводских, так и государственных испытаний опытных машин.
В 1936 г. А.Н.Туполев назначается первым заместителем начальника и главным инженером главного управления авиационной промышленности Наркомтяжпрома. Одновременно А.Н.Туполев возглавляет выделенное из системы ЦАГИ конструкторское бюро вместе с Заводом Опытных Конструкций, которые затем переименуются в завод № 156 в системе НКТП (народный комиссариат танковой промышленности), а затем в НКАП (народный комиссариат авиационной промышленности).
На протяжении всего творческого пути А.Н.Туполев постоянно уделял внимание созданию новых авиационных материалов. По его настоянию и при его поддержке были созданы и начали широко применяться: со второй половины 30-х годов - легкие магниевые сплавы; с конца 40-х - начала 50-х годов – высокопрочные алюминиевые сплавы для тяжелых скоростных самолетов; с конца 60-х годов – теплостойкие алюминиевые сплавы для сверхзвуковых самолетов. Он первым начал применять хромансиль (высокопрочную сталь), стеклотекстолит и многие другие авиационные неметаллические материалы, организовал специальную лабораторию для исследования и разработки технологических процессов их производства, обеспечения серийного внедрения и создания новых неметаллических материалов.
Этапными самолётами Туполева, в которых воплотились новейшие достижения науки и техники в области авиационного конструирования, в предвоенный период стали бомбардировщики АНТ-4, АНТ-6, АНТ-40, АНТ-42 и Ту-2, пассажирские самолёты АНТ-9, АНТ-14, АНТ-20 «Максим Горький» и рекордный АНТ-25. В Великой Отечественной войне участвовали ТВ-1, ТВ-3, СБ, Р-6, ТВ-7, МТБ-2, Ту-2 и торпедные катера Г-4, Г-5.
На базе бомбардировщика Ту-16 в 1955 г. был создан первый советский реактивный пассажирский самолёт Ту-104. За ним последовали первый турбовинтовой межконтинентальный самолёт Ту-114, ближние и средние магистральные самолёты Ту-110, Ту-124, Ту-134.
1960-е годы в КБ проходят под знаком разработки нового среднемагистрального пассажирского самолета Ту-154, который в 70-е годы пришел на смену реактивным пассажирским самолетам первого поколения, а также создания первого в мире сверхзвукового пассажирского самолета Ту-144 (совместно с А.А.Туполевым).
Среднемагистральный Ту-154 стал для КБ поворотным этапом в разработке современных пассажирских самолетов. Впервые в практике КБ проектировался пассажирский самолет, в основе конструкции которого даже отдаленно не было военного прототипа. Это позволило создать высокоэффективный пассажирский самолет, экономические и эксплуатационные летные характеристики которого были на уровне лучших зарубежных аналогов.
Ту-154 совершил первый полет в 1968 г., а уже с начала 70-х годов эти машины пошли в активную эксплуатацию на линии страны и на поставки за пределы СССР. Всего до конца XX века было построено более 900 Ту-154 в нескольких основных модификациях. Наибольшего совершенства, как тип, Ту-154 достиг в модификации Ту-154М, в которой за счет внедрения новых, более экономичных двигателей и улучшений в аэродинамике удалось значительно повысить экономическую эффективность самолета. До сих пор самолёты Ту-154 в различных вариантах продолжают трудиться в России и за ее пределами.
Всего под руководством А.Н.Туполева было спроектировано свыше 100 типов самолётов, 70 из которых строились серийно. На его самолётах установлено 78 мировых рекордов, выполнено около 30 выдающихся перелётов. А.Н.Туполев воспитал плеяду видных авиационных конструкторов и учёных, возглавивших самолётные ОКБ. В их числе В.М.Петляков. П.О.Сухой, В.М.Мясищев, А.И.Путилов. В.А.Чижевскй, А.А.Архангельский, М.Л.Миль, А.П.Голубков, И.Ф.Незваль и другие.
Несмотря на все объективные и субъективные сложности в жизни КБ и его коллектива, в 1990-е годы удалось передать в серию и в эксплуатацию несколько модификаций нового среднемагистрального Ту-204, начать испытания новейшего ближнемагистрального Ту-334.
На рубеже ХХ и ХХI веков КБ Туполева вошло как составная часть в новую структуру –ОАО «Туполев», включившую в себя, помимо КБ, испытательную базу, а также серийный авиастроительный завод «Авиастар-СП» в Ульяновске.
В соответствии с Указом Президента РФ от 20 февраля 2006 г. № 140 ОАО «Туполев» вошло в состав ОАО «ОАК».