Тогда же по рекомендации М. Н. Тухачевского он был назначен главным конструктором ОКБ НИИ ГВФ. В 1933 году на его самолёте «Сталь-6» установлен мировой рекорд скорости – 420 км/ч. На базе поставившей рекорд машины был спроектирован истребитель «Сталь-8», но проект вскоре закрыли как не соответствующий тематике гражданского института. Чуть позже был создан 12-местный пассажирский самолёт «Сталь-7» с крылом «обратная чайка», который экспонировался на Международной выставке в Париже, а в августе 1939 года на нём был установлен международный рекорд скорости на дистанции 5000 км – 405 км/ч. Тогда же был построен дальний арктический разведчик, который мог садиться на лёд и воду.
В 1937 году Роберт Людвигович был арестован. Ему было предъявлено обвинение в связях с «врагом народа» Тухачевским, а также в шпионаже в пользу Муссолини (от которого он когда-то бежал!). Его приговорили к десяти годам лагерей и пяти – «поражения в правах». До 1947 года он работал в заключении, принял участие в проектировании Ту-2. В Омске в начале войны было организовано специальное ОКБ Р. Л. Бартини, разработавшее два проекта: сверхзвуковой одноместный истребитель типа «летающее крыло» и зенитный истребитель-перехватчик с четырьмя двигателями В. П. Глушко и стреловидным крылом. Этот истребитель должен был развивать невиданную ранее скорость, но… осенью 1943 года ОКБ было закрыто.
Позднее Р. Л. Бартини выполняет рабочее проектирование и строительство новых транспортных самолётов совершенно революционной конструкции. Первый из них – уникальный магистральный транспортный самолёт, позволявший перевозить танки и грузовики. Были также пассажирский и санитарный варианты с герметическим фюзеляжем. Проект самолёта был готов уже осенью 1944 года, и даже начата его постройка на заводе имени Димитрова в Таганроге, однако в июне 1948 года постройка почти готового самолёта была прекращена, поскольку Сталин посчитал использование нового самолёта непозволительной роскошью, так как уже имелся самолёт конструкции Ильюшина.
Далее – специальный тяжёлый военно-транспортный и десантный самолёт, опять же, не имевший аналогов среди ранее существовавших. Проект разрабатывался в 1947 году, был утверждён, и самолёт в том же году рекомендован к постройке, однако по неизвестным причинам ОКБ было закрыто. Впоследствии эти наработки были использованы при создании транспортных самолётов Антонова.
С 1948 года, после освобождения, и по 1952 год Бартини работает в ОКБ гидроавиации Г. Бериева. Позднее Бартини был откомандирован в Новосибирск и назначен начальником отдела перспективных схем Сибирского научно-исследовательского института авиации им. С. А. Чаплыгина. Здесь производились исследования по управлению летательными аппаратами на дозвуковых и сверхзвуковых скоростях, созданию нового типа сверхзвукового крыла. Будучи великолепным математиком, Бартини буквально вычислил такое крыло без особенно дорогих продувок и существенных затрат. На основании этих исследований он создаёт проект совершенно нового типа самолётов. Проект Р. Л. Бартини, представленный в 1955 году, планировал создание сверхзвуковой летающей лодки-бомбардировщика. Первоначально проект был отклонён, так как заявленные характеристики посчитали нереальными. Помогло обращение к С. П. Королеву, который помог обосновать проект экспериментально.
В 1956 году Бартини был реабилитирован, а в апреле 1957 года откомандирован в проектное бюро в подмосковных Люберцах для продолжения работы над проектом. Здесь, в ОКБ П.В. Цыбина, под руководством Бартини до 1961 года было разработано пять проектов самолётов полётной массой от 30 до 320 тонн разного назначения. «Стратегические треуголки», помимо прекрасных лётных характеристик, были по тем временам верхом совершенства. Комиссия, в работе которой приняли участие ведущие представители авиаразработчиков, дала положительное заключение по проектам, однако правительственное решение о постройке самолётов так и не было принято. Несмотря на это, в 1961 году конструктором был представлен проект сверхзвукового дальнего разведчика с ядерной силовой установкой.
Именно в этот период у Бартини рождается ещё одна выдающаяся идея: создание крупного самолёта-амфибии вертикального взлёта и посадки, который позволил бы охватить транспортными операциями большую часть поверхности Земли, включая вечные льды и пустыни, моря и океаны.
В 1968 году коллектив Р. Л. Бартини из Подмосковья переезжает на завод им. Димитрова в КБ Г. М. Бериева в Таганроге, специализировавшийся на гидросамолётах. Здесь в соответствии с концепцией «безаэродромных самолётов» в 1972 году были построены два противолодочных самолёта – «Вертикально взлетающие амфибии». Через некоторое время после смерти Р. Л. Бартини в 1974 г. работы над этими летательными аппаратами были прекращены под давлением конкурентов из бюро имени Бериева, работавших над другими типами летающих лодок. Всего же на счету Роберта Бартини насчитывается более шестидесяти законченных проектов самолётов.
