Op 21 oktober 1937 werd Petlyakov gearresteerd samen met Tupolev en het hele bestuur van de TsAGI op valse beschuldigingen van sabotage, spionage en hulp aan de Russische fascistische partij. Veel van zijn collega's werden geëxecuteerd. In 1939 werd hij overgeplaatst van een gevangenis naar een NKVD "sharashka" voor vliegtuigontwerpers bij Moskou, waar veel ex-TsAGI-mensen al waren gestuurd om te werken. Petlyakov kreeg de opdracht om een gevechtsvliegtuig op grote hoogte te ontwerpen, wat hij met succes volbracht. Operatieve ervaring in de Sovjet-Finse Oorlog
De pogingen van de Sovjet-Unie om de bommenwerpers te ontplooien in 1939-1940 toonden aan dat dit niet was wat de Sovjet-Luchtmacht nodig had, en Lavrentiy Beria, hoofd van de NKVD en van het "sharashka" -systeem, beval dat de jager opnieuw werd ontworpen als een duikbommenwerper, met de belofte dat Petlyakov en zijn collega's zouden worden vrijgelaten bij de succesvolle voltooiing ervan.