Вскоре экипаж перегнал машину на Щелковский аэродром, где началась непосредственная подготовка к перелету. За своевременную и тщательную подготовку самолета отвечал Е.К. Стоман. Инженерная группа ЦАГИ рассчитывала и составляла для экипажа графики режима полета. Особое внимание и экипаж, и наземные службы обращали на двигатель. Когда принималось решение о полете, Сталин поинтересовался:
«...Так вы говорите, что выбор самолета сделан правильно? Все-таки один мотор... Этого не надо забывать.
— Товарищ Сталин, — ответил Чкалов, - так ведь один мотор - сто процентов риска, а четыре мотора - четыреста».
Чкалов шутил, предложив Сталину столь «антитехническое» объяснение надежности силовых установок многомоторных самолетов. Сталин прекрасно помнил выступление С.А. Леваневского по поводу полета на одномоторном самолете, которое закончилось тирадой в духе тех славных времен, что, мол, Туполев со своим АНТ-25 враг народа и вредитель. Через несколько месяцев, в октябре 1 937 г., все эти обвинения обретут зловещую реальность - Андрея Николаевича арестует НКВД. Переводя разговор в шутку, Чкалов отстаивал самолет, в котором он был уверен, и идею перелета, и одновременно Туполева, над которым уже нависла беспощадная рука в «Ежовой рукавице».
Готовясь к полету, Чкалов и его коллеги прекрасно понимали, насколько важно отладить этот единственный на самолете двигатель, от которого во многом будет зависеть и успех многочасового перелета, и, в конце концов, их жизнь, жизнь и судьба создателей АНТ-25. Нужно было быть абсолютно уверенным в надежной работе двигателя. Вместе с мотористами он занимался регулировкой М-34Р, добиваясь получения оптимальных параметров.
Летчики внимательно проверяли все новшества и усовершенствования, сделанные по их замечаниям после каждого предыдущего полета. Немало забот было у штурмана Белякова. Он побывал в Главсевморпути Академии наук, собирал сведения о работе полярных маяков и радиостанций. Были подобраны необходимые карты западной части Канады и США. А.В. Беляков успел пройти также ускоренный курс летной подготовки и, в крайнем случае, мог подменить пилотов.
В начале июня решено было форсировать сроки перелета. Причина была следующая. Перед экипажем стояла задача первыми определить возможность перелета в США, а затем передать информацию об особенностях работы, наблюдения и рекомендации по доработке отдельных элементов самолета, двигателя и оборудования на самолете М.М. Громова (об этом, втором, перелете будет рассказано ниже), который должен был лететь вслед за ними. Оба перелета необходимо было уложить в летние месяцы и желательно в период июнь-июль, когда обстановка по маршруту более или менее благоприятная. Предложение экипажа по ускорению сроков подготовки многим показалось авантюрой. Но за экипажем была уверенность в самолете, опыт предыдущего перелета, да и подготовка к трансарктическому перелету началась фактически с августа 1936 г.
Для обеспечения перелета 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 приема радиограмм с борта и передачи информации на борт.
Полностью подготовленный к перелету АНТ-25-2 был переведен на Щелковский аэродром и ждал своего часа. После всех доработок машина имела следующие показатели по массам: полетная масса 11250 кг, масса пустого — 4200 кг, масса топлива и масла - 6230 кг, масса полезной нагрузки — 820 кг, эти параметры должны были обеспечить достижения необходимой дальности полета.
18 июня 1937 г. в 1 ч. 4 мин. (по Гринвичу), в 4 ч. 4 мин. по Москве самолет под управлением Чкалова стартовал со Щелковского аэродрома. Окружающая температура была плюс восемь градусов, все как нельзя лучше — «комфортное» состояние для двигателя (М-34Р на АНТ-25 при температуре выше плюс пятнадцать градусов на повышенных оборотах начинал перегреваться).
На вылет приехал Туполев и пешком отправился к тому месту, где предположительно самолет должен был оторваться от земли. И когда Чкалов мастерски, бережно приподнял АНТ-25 именно в этой точке, Андрей Николаевич снял шляпу. (Запись в бортовом журнале: «Оторвался против главного входа»).
Байдуков убрал шасси, Чкалов развернул самолет и взял курс строго на Север. В 5 ч. 8 мин. в бортовом журнале появилась запись: «...Я заступил на вахту, отдохнул 4 часа, из них часа 1,5 поспал. Чувствую себя бодро. Переложили лодку на заднее сидение. Байдуков зачем-то ищет папиросы. Немного перистых облаков. Впереди облачность застилает горизонт. Немного закусили с Егором».
В 5 ч.10 мин. Беляков передает свою первую радиограмму: «Нахожусь Лекшин-Озеро. Высота 1370 метров. Все в порядке. Беляков».
8 ч.47 мин. запись в журнале: «Идем между двумя слоями облаков.... Солнце просвечивает. Летчики сменились».
9 ч. 36 мин.: «Начался слепой полет в облаках. Удары обледенения, стали пользоваться антиобледенителем на винт, жидкость течет струей. Снижаемся. Слева видны озера Кольского п-ова. Внутри кабины плюс 7 град.»
10 ч. 24 мин.: «С маслом все закончилось (опять проблемы с маслом), остатки текут по брюху. Жаль, что нет фотоаппарата. Валерий отдыхает, но спит плохо. Спустя 10 часов экипаж покинул Большую землю».
10 ч. 32 мин.: «Ура! Ясно все кругом. Под нами темно-синее Баренцево море. Выход на берег Баренцевого моря не был виден. Впереди низкие облака, опять хотят закрыть море, но высоко облаков нет».