Тем временем руководство страны и ВВС, недовольное результатами работы разрозненных и конкурирующих между собой конструкторских бюро и заводов, в 1931 году приступило к реорганизации опытного самолетостроения. Все проектирование было решено централизовать в едином конструкторском бюро – ЦКБ Центрального аэрогидродинамического института (ЦАГИ). Поликарпов получил назначение на должность заместителя начальника бригады № 3 П.О. Сухого. Именно здесь в середине 1932 года было получено задание от управления ВВС РККА на разработку и проектирование двух новых истребителей, один из которых планировался как скоростной, а второй как «маневренный».
Данная постановка проблемы была не случайной. Дело в том, что в мировом авиастроении на рубеже 20–30-х годов наметилась маленькая революция. На смену бипланам пришли монопланы – самолеты с одним крылом и улучшенной аэродинамикой. Постоянная борьба за скорость – важнейшая черта авиации, особенно истребительной. Переход к монопланам, да еще и с убирающимися шасси позволил сделать резкий прорыв в этой области. Но при этом самолетостроители и испытатели столкнулись с неожиданной проблемой: с ростом скорости ухудшилась маневренность, так как увеличился радиус, а следовательно, и время выполнения горизонтального виража. Маневренные же истребители бипланной схемы с малым временем разворота имели меньшую скорость вследствие большего лобового сопротивления. А с учетом того, что монопланам во время воздушных боев неизбежно пришлось бы биться и с бипланами, большой прирост скорости, как казалось, создавал некоторые тактические проблемы.
Тогда-то военные и нашли компромиссное решение этой задачи в одновременном развитии как скоростных истребителей-монопланов, так и усовершенствованных маневренных бипланов. По принятой в начале 30-х годов доктрине предполагалось, что монопланы должны догонять противника и навязывать ему бой, а бипланам предстоит продолжать его на горизонтальном маневре. У этой проблемы было, конечно, и другое решение – перевести бой в вертикальную плоскость, то есть построить тактику истребителей монопланов на атаке противника сверху-сзади и снизу-сзади с последующим резким набором высоты либо переходом в пикирование. Однако для советской авиации это было нереально из-за отсутствия достаточно мощных авиационных двигателей.
Итак, бригада № 3 ЦКБ ЦАГИ приступила к выполнению задания. Начальник Павел Сухой занялся собственным проектом, первоначально получившим название АНТ-31, а позднее И-14. А Николаю Поликарпову была поручена работа сразу над двумя проектами. Во-первых, модифицировать уже выпускавшийся истребитель И-5, во-вторых, начать рабочее проектирование истребителя-моноплана, первоначально получившего обозначение ЦКБ-12.
Проект открывал новый период советского самолетостроения. Во-первых, истребитель должен был стать одним из первых серийных самолетов с убирающимися шасси, во-вторых, первым боевым самолетом с планируемой скоростью свыше 400 км/ч, что по меркам начала 30-х годов было большим достижением.
В качестве примера для подражания для новой машины, по всей вероятности, послужили новинки американского авиапрома, в частности истребитель «Боинг» Р-26.
Однако не успел Николай Николаевич всерьез развернуться, как в структуре опытного самолетостроения произошла новая реорганизация. Структура ЦКБ ЦАГИ к концу 1933 года постепенно стала чересчур громоздкой, обросла множеством специализированных подразделений, управлять ее работой оказалось сложно. В связи с этим 13 января 1933 года на Московском авиазаводе № 39 было образовано Центральное конструкторское бюро для проектирования и производства легких самолетов. Начальником ЦКБ и одновременно заместителем директора завода был назначен С.В. Ильюшин.
Бюро состояло из самостоятельных конструкторских бригад, специализировавшихся по типам самолетов, вооружению, технологии и проведению различного рода испытаний. Бригада № 1 во главе с С.А. Кочергиным занималась самолетами-разведчиками и штурмовиками, бригада № 2 во главе с Н.Н. Поликарповым – истребителями, бригада № 3 В.А. Чижевского – экспериментальными работами и проектированием дальнего бомбардировщика, бригада № 4 Я.И. Мальцева – проектированием вооружения, бригада № 5 Г.М. Бериева – морскими самолетами и т. д.[http://www.airforce.ru/history/chronology/1933.htm] Организация ЦКБ завершилась 15 февраля 1933 года.
Переезд несколько затянул работы над новыми машинами. В результате первый эскизный проект ЦКБ-12 был подготовлен Поликарповым только в апреле 1933 года. Разрабатываемый самолет имел три принципиальные особенности: малые геометрические размеры и очень небольшие моменты инерции относительно всех трех осей, а также небольшой запас продольной статической устойчивости на планировании вкупе с очень малым полетным весом. В качестве силовой установки Поликарпов предлагал использовать американский звездообразный двигатель Wright Cyclone R-1820-F3, по поводу которого советская сторона вела переговоры о лицензионном производстве на территории СССР. Однако на стадии разработки конструкторам пришлось довольствоваться более старым, но уже хорошо освоенным другим мотором, имевшим обозначение М-22. Это был девятицилиндровый мотор Bristol Jupiter мощностью 480 л. с., ранее устанавливавшийся на истребитель-биплан И-5.