18 июня 1937 г. стартовал первый в мире беспосадочный перелёт Москва — Северный полюс — Ванкувер (штат Вашингтон, США) экипажа самолёта АНТ-25 в составе командира экипажа — В. П. Чкалова, второго пилота — Г. Ф. Байдукова и штурмана — А. В. Белякова, завершившийся 20 июня.

7 декабря 1931 г. советским правительством было вынесено решение об организации летом 1932 г. полёта на предельную дальность 13 тыс. км и о постройке для этой цели самолёта конструкции А. Н. Туполева с мотором М-34 А. А. Микулина. Был создан специальный комитет, который занялся вопросами, связанными с разработкой и постройкой самолёта, доработкой предназначенного для него мотора М-34, а также проектированием и строительством первой в Советском Союзе бетонной взлётной полосы длиной 1,8 тыс. м. Чертежами и расчётами будущей машины и её систем занималась группа инженеров в Центральном аэрогидродинамическом институте (ЦАГИ) под руководством авиаконструктора П. О. Сухого.

Практически одновременно строились два самолёта АНТ-25, схожие по конструкции. Основное отличие между машинами было в установке на «дублере» редукторного двигателя М-34Р и изменённого руля направления. 13 июня 1933 г. был построен опытный АНТ-25 (РД) с безредукторным двигателем М-34. 1 сентября 1933 г. была закончена постройка «дублера». В ходе доработки и подготовки к серии перелётов, конструкция и оснащение машин стали идентичными.

К 1935 г. АНТ-25 прошёл сложный путь испытаний, модернизаций и доработок. Цельнометаллический свободнонесущий моноплан с крыльями большого удлинения и электрифицированным механизмом подъёма шасси, а также совершенным для того времени пилотажно-навигационным оборудованием, был подготовлен для установления мировых рекордов дальности беспосадочных перелётов. На аэродроме Щёлково в Подмосковье была построена взлётная полоса с твёрдым бетонированным покрытием и 12-метровой горкой в её начале для более быстрого разгона.

В начале 1933 г. для проведения испытаний и выполнения дальних перелётов на самолетах АНТ-25 были сформированы два экипажа, в которые входили пилоты и штурманы ВВС, имевшие большой опыт испытательных полётов, в том числе и в сложных метеоусловиях. В первый экипаж вошли М. Громов, А. Филин, И. Спирин, во второй — А. Юмашев, П. Стефановский и С. Данилин.

Осенью 1934 г. в ходе последних испытаний самолёта АНТ-25 экипаж М. Громова за 75 часов непрерывного полёта покрыл по замкнутому маршруту 12 тыс. 411 км пути, установив новый мировой рекорд дальности. За это членов экипажа наградили орденами Ленина, а командиру самолёта было присвоено почётное звание Героя Советского Союза.

3 августа 1935 г. на арктическом варианте самолёта АНТ-25 экипаж под командованием полярного лётчика С. Леваневского, второго пилота Г. Байдукова и штурмана В. Левченко предпринял попытку перелёта из Москвы в г. Сан-Франциско (США) через Северный полюс. Полёт был прерван из-за технических неполадок. Неудача поставила под удар репутацию самолёта и стала поводом для рассуждений о неприступности Арктики. Но А. Н. Туполев, уверенный в уникальных лётных данных АНТ-25, настаивал на продолжении работ по дальним перелётам. По этому вопросу с ним был солидарен и Г. Байдуков, хорошо знавший самолёт и считавшийся одним из лучших в стране специалистов пилотирования по приборам, которое необходимо при арктических перелётах. Он активно включился в борьбу за спасение программы АНТ-25 и авторитета Туполева. Осознавая, что ему, бывшему члену экипажа С. Леваневского, не разрешат трансполярного перелёта без участия авторитетного лица, пользующегося доверием в высших эшелонах власти, Г. Байдуков уговорил своего друга В. Чкалова полетать на АНТ-25, и тот был пленён самолётом. Предлагая В. Чкалову возглавить экипаж, он говорил: «Мы с Беляковым желаем, чтобы ты стал командиром экипажа и выполнил две задачи — добиться разрешения на полёт в Америку через полюс на самолёте АНТ-25 и благополучно произвести взлёт перегруженной машины. Выполнение этих двух задач равно 50% успеха полёта в Америку через полюс, другую половину мы с Александром Васильевичем сделаем сами». Авторитет Чкалова, его лётное мастерство благоприятствовали возобновлению подготовки рекордного полёта через Северный полюс в США. Сталин одобрил идею продолжения работ и новый экипаж, но для начала предложил провести предварительный «контрольный перелёт» по внутрисоюзному маршруту: Москва — Петропавловск-Камчатский. В связи с тем, что до Камчатки дальность значительно меньше, чем мог пролететь АНТ-25, лётчики убедили правительство утвердить им маршрут до Николаевска-на-Амуре с прохождением над северными морями для испытаний самолёта и его систем в арктических условиях. Под общим руководством начальника отдела эксплуатации, лётных испытаний и доводок (ОЭЛИД) ЦАГИ Е. Стомана началась тщательная подготовка самолёта и экипажа к перелёту.

20 июля 1936 г. в 5 ч 45 мин. тяжело нагруженный АНТ-25 с экипажем в составе: лётчиков-испытателей Научно-испытательного института ВВС Валерия Чкалова, Георгия Байдукова и преподавателя Военно-воздушной академии им. Н. Е. Жуковского Александра Белякова взлетел с аэродрома Щёлково и отправился по «Сталинскому маршруту»: Москва — о. Виктории — Земля Франца Иосифа — Северная земля — бухта Тикси — Петропавловск-Камчатский. В случае благоприятных условий, маршрут продлевался до Николаевска-на-Амуре.

22 июля 1936 г. в 15 ч 20 мин., пройдя циклоны, Чкалов сумел посадить огромный воздушный корабль в 33 км от северо-западной оконечности Сахалина на небольшом о. Удд (о. Чкалов). Экипаж АНТ-25 за 56 ч. 20 мин. пролетел 9 тыс. 374 км (по прямой 8 тыс. 750 км). Из них 5 тыс. 140 км самолёт летел над Баренцевым и Охотским морями, Северным Ледовитым океаном. Вся материальная часть, включая и силовую установку, работала нормально, были проблемы со связью, но это в основном были проблемы организации работы наземных станций. Конструкция АНТ-25 для дальних беспосадочных перелётов себя полностью оправдала. В полёте выяснилось, какую опасность таит в себе обледенение, в особенности обледенение винта. За две недели была разработана и установлена на АНТ-25 отечественная конструкция винтового антиобледенителя. За этот перелёт все члены экипажа получили звания Героев Советского Союза, доказав на практике, что можно переходить к следующему этапу — полёту через Северный полюс. Перелёт имел значительный международный резонанс, краснокрылый самолёт с надписью «Сталинский маршрут» был представлен на Всемирной авиационной выставке в Париже, где пользовался огромным успехом.

Экипаж Валерия Чкалова продолжал готовиться к трансарктическому перелёту вместе с конструкторами, механиками и мотористами ОЭЛИД ЦАГИ. Они совершенствовали самолёт, опираясь на опыт, добытый в тяжелейшем «контрольном перелёте».

25 мая 1937 г. вышло постановление Политбюро ЦК ВКП (б) «О перелётах», которое разрешало экипажу Чкалова, Байдукова и Белякова выполнить беспосадочный перелёт Москва — Сан-Франциско через Северный полюс (на самолёте АНТ-25). В случае опасности в полёте лётчики должны были сделать посадку до Сан-Франциско, в одном из городов Канады или Северной Америки. Перелёт намечался на июнь-июль.

Для обеспечения перелёта были привлечены радиостанции Северного морского пути. Пароходы и ледоколы Северного флота готовились в случае чего оказать немедленную помощь. В Канаде и в США была подготовлена сеть радиостанций для приёма радиограмм с борта и передачи информации на борт.

18 июня 1937 г. в 1 ч 5 мин. (по Гринвичу), в 4 ч 5 мин. по московскому времени с подмосковного аэродрома Щёлково (аэродром «Чкаловский», Щёлковский район Московской области) взлетел самолёт АНТ-25 (РД — «Рекорд дальности») и взял курс на Северный полюс. Командиром экипажа был Валерий Чкалов, сменным пилотом, штурманом и радиотелеграфистом — Георгий Байдуков, штурманом и радистом — Александр Беляков.

«Я пустил самолёт по бетонной дорожке. Начался самый трудный, самый сложный перелёт. Ревущий на полных оборотах мотор понёс самолёт. Теперь только бы не свернуть. С каждой секундой самолёт набирает скорость. Последний привет рукой в сторону провожающих, и я отрываю самолёт от земли. Подпрыгнув раз-другой, машина остаётся висеть в воздухе. Байдуков убирает шасси. Мелькают ангары, фабричные трубы. Мы летим. Внизу леса, поля, реки. Утро. Страна просыпается» — писал о старте знаменитого перелёта Москва — Северный полюс — Америка Валерий Чкалов.

Через пять часов полёта Чкалов обнаружил утечку масла, но назад не повернул. Спустя некоторое время утечка замедлилась. Первый циклон встретился над европейской частью страны. Пришлось использовать антиобледенитель винта, а затем набрать высоту — 3 тыс. м. С угрозой обледенения боролись, спускаясь то ниже облаков, то подымаясь выше. Не менее опасным стал отказ системы охлаждения. В любую минуту двигатель могло заклинить. В тесной и негерметичной кабине температура опускалась ниже нуля, а на больших высотах остро ощущалась нехватка кислорода.

Через сутки полёта АНТ-25 приблизился к Северному полюсу.

19 июня в 4 ч 15 мин. полярники на станции «Северный полюс-1» услышали звук моторов пролетающего над Северным полюсом самолёта.

Предположения метеорологов о том, что в центральной части полярного бассейна верхняя граница облачности не будет превышать 3-5 тыс. м не подтвердились. Это создало экипажу дополнительные трудности и потребовало пробиваться вверх выше облаков. Над канадской частью Арктики самолёт поднялся до 5 тыс. 750 м, выполняя частично слепой полёт. Обледеневший самолёт трясло и впервые за 37 часов полёта пришлось убавить до предела обороты двигателя. Надеясь найти более безопасные слои воздуха, АНТ-25 снизился до высоты 3 тыс. м и лёг в горизонтальный полёт. Запас кислорода подходил к концу. Температура в кабине была близкая к нулю.

19 июня 13 ч 50 мин. экипаж вышел на побережье Канады. Отсюда поворот на запад, преодоление еще одного тяжелейшего препятствия — Скалистых гор. Наступал самый тяжёлый отрезок перелёта. Недостаток кислорода сказывался все сильнее. Полёт выполнялся вслепую, чтобы преодолеть облачность, сопровождающуюся обледенением, самолёт набирал высоту до 6,1 тыс. м, температура за бортом была минус 20 градусов. 20 июня в 00 ч 40 мин. кончился кислород, но к утру АНТ-25 уже летел вдоль океанского побережья, принимая радиосигналы Анкориджа, Сиэтла и Сан-Франциско. Из-за сильных встречных ветров топлива было израсходовано больше, чем рассчитывали, запасы бензина не позволяли продолжить полёт до Сан-Франциско, где была запланирована посадка.

20 июня в 16 ч 20 мин. по Гринвичу самолёт Чкалова произвёл посадку на аэродроме, в пригороде Портленда Ванкувере. Топлива в баках практически не осталось. Экипаж закончил перелёт по маршруту Москва — Кольский полуостров — Баренцево море — Земля Франца Иосифа — Северный полюс — Остров Мелвилл — Остров Бенкса — Пирс Пойнт — Острова Королевы Шарлотты — Ванкувер — Портленд. За 63 ч 16 мин. самолёт пролетел более 9 тыс. 130 км (8 тыс. 582 км по прямой), что утверждено как национальный рекорд СССР, но мировой рекорд дальности побить не удалось — это сделал уже экипаж другого АНТ-25 во главе с М. Громовым.

Америка встречала лётчиков как героев. Вместо запланированной пятнадцатиминутной беседы, президент США Рузвельт проговорил с советским экипажем час и сорок минут. В Нью-Йорке лётчикам устроили торжественную встречу на улицах города.

В 1989 г. коллектив КБ им. А. Н. Туполева построил точную копию АНТ-25, которая была передана в Центральный музей Военно-воздушных сил (г. Монино, Московская область), заняв в экспозиции музея почётное место.