В марте 1925 г. Павел Осипович защитил дипломный проект «Одноместный истребитель с мотором 300 л.с.» и был зачислен инженером в отдел АГОС ЦАГИ, возглавляемый А.Н. Туполевым.

Отдел АГОС ЦАГИ (Авиации, гидроавиации и опытного строительства) образован в 1924— 1925 гг. слиянием Авиационного отдела с гидроавиационным подотделом А.Н. Туполева и Опытно-строительного отдела (ОСО), руководимого А.А. Архангельским. Последний занимался изготовлением воздушных винтов, строил аэросани и обладал парком металло- и деревообрабатывающих станков.

До 1925 г. коллектив АГОС размещался в бывшем особняке купца Михайлова (ныне помещение Научно-мемориального музея Н.Е. Жуковского). Проектировщики занимали второй этаж, а производственные площади находились на первом этаже этого здания и в помещении бывшего трактира «Раек» на углу нынешних улиц Радио и Бауманской.

В 1925 г. на месте снесенного трактира «Раек» приступили к сооружению корпуса для АГОС. В конце 1926 г. опытное производство и ряд конструкторских подразделений переехали в новое здание (ныне художественно-реставрационные мастерские ВХНРЦ им. И.Э. Грабаря).

К моменту образования АГОС его конструкторский коллектив насчитывал около двух десятков инженеров и конструкторов, включая и четырех непосредственных помощников А.Н. Туполева: И.И. Погоского, Н.С. Некрасова, А.И. Путилова и В.М. Петлякова.

Тематику АГОС, в основном, составляли цельнометаллические самолеты, а также торпедные катера, глиссеры и аэросани.

Приоритет в создании «крылатого металла» (алюминиевого сплава, в котором был обнаружен эффект старения) принадлежит немецкому ученому Альфреду Вильму — сотруднику научно-исследовательского института в Нейбабельберге (предместье Берлина). В 1909 г. А. Вильм запатентовал сплав и продал свои права на изобретение фирме «Dürenermetallwerke», которая приступила к выпуску сплава, получившего название «дуралюмин».

Производство легких алюминиевых сплавов и полуфабрикатов из них в нашей стране ведет свое начало с экспериментально-исследовательских работ коллектива Первого государственного завода по обработке цветных сплавов, (г. Кольчугино Владимирской области). Инициатором, непосредственным исполнителем и руководителем этих работ был инженер В.А. Буталов. В апреле 1922 г. в лабораторных условиях получили алюминиевый сплав — «кольчугалюминий». Отечественный сплав отличался от немецкого присутствием никеля и несколько иным соотношением меди и марганца.

Свою конструкторскую деятельность П.О. Сухой начал в небольшой группе А.И. Путилова. Этот коллектив занимался проектированием фюзеляжей, шасси и их увязкой с другими узлами и системами, практически, всех самолетов, созданных в АГОС. С 1925 г. Павел Осипович в составе этой группы, а позднее бригады принимал участие в создании самолетов: АНТ-3 (Р-3); АНТ-4 (ТБ-1); АНТ-5 (И-4); АНТ-6 (ТБ-3); АНТ-7 (Р-6); АНТ-9; АНТ-10 (Р-7); АНТ-12 (И-5); АНТ-13 (И-8); АНТ-14; АНТ-17(ТШ-Б).

Сравнительно быстро молодой инженер П.О. Сухой стал авторитетным высококвалифицированным специалистом. Поскольку А.И. Путилов с 1922 г. совмещал конструкторскую деятельность с преподавательской работой в АВФ им. проф. Н.Е. Жуковского (с 1925 г. Военно-Воздушная Академия РККА им. проф. Н.Е. Жуковского), то в его отсутствии обязанности начальника бригады возлагались на П.О. Сухого. В апреле 1930 г. А.И. Путилов был откомандирован из ЦАГИ и возглавил конструкторскую группу по стальному самолетостроению «Добролета» (ОСД), а руководство бригадой №4 АГОС практически перешло к П.О. Сухому.

П.О. Сухой. Инженер АГОС ЦАГИ

В марте 1930 г. советская авиапромышленность подверглась очередным организационным мероприятиям — в составе Авиатреста образовали Всесоюзное авиационное объединение (ВАО). В апреле в связи с утверждением Устава ВАО Авиатрест был расформирован.

Зарождение отечественной авиационной промышленности происходило на базе нескольких национализированных предприятий, которые в декабре 1918 г. подчинили Главному управлению авиапромышленных заводов (Главкоавиа) ВСНХ.

В декабре 1919 г. Главкоавиа перешло в ведение Совета военной промышленности.

Весной 1921 г. Главкоавиа вновь переподчинили ВСНХ. Летом 1921 г. было образовано Главное управление военной промышленностью (ГУВП) ВСНХ с подчинением ему Главкоавиа и Промвоенсовета.

В начале 1925 г. под непосредственным управлением ВСНХ СССР был создан Авиатрест, впоследствии перешедший в ведение Главного управления металлопромышленности (ГУМП) ВСНХ СССР. К концу 1920-х гг. Авиатрест включал уже пять самолетостроительных заводов (1, 22, 23, 25, 31), три моторостроительных (24, 26, 29) и три подсобных завода (28, 36, 41).

Летом 1930 г. ВАО перешло в ведение Наркомата по военным и морским делам (НКВМ), в связи с чем ЦАГИ был подчинен начальнику Главного Управления ВВС РККА П.И. Баранову.

4 октября 1930 г. группа ОСД «Добролета» под эгидой Главной инспекции ГВФ была реорганизована в НИИ ГВФ. Заведующим отделом опытного самолетостроения и главным конструктором НИИ ГВФ назначили А.И. Путилова. Освободившуюся должность начальника бригады №4 АГОС ЦАГИ занял П.О. Сухой.

В октябре 1930 г. П.О. Сухой в составе группы специалистов ЦАГИ был командирован в Германию и Италию для ознакомления с авиационной промышленностью этих государств. До середины января 1931 г. Павел Осипович посетил фирмы: Junkers, Dornier, Rohrbach, Heinkel, Arado, Albatros, Focke-Wulf, BMW, Fiat, SiAi, CANT, Isotta-Fraschini, Caproni, Геттингенскую аэродинамическую лабораторию, Гамбургский и Римский гидроканалы.

В феврале 1931 г. ВАО перешло в ведение ВСНХ СССР, а в мае из НКВМ в ВСНХ СССР передали и ЦАГИ.