14 февраля 1938 Роберт Бартини был арестован НКВД СССР. Ему было предъявлено обвинение в связях с «врагом народа» Тухачевским, а также в шпионаже в пользу Муссолини. Решением внесудебного органа (т. н. «тройки») Бартини приговорили к обычному для таких дел сроку — 10 лет лишения свободы и пять — «поражения в правах».
Заключённый Бартини был направлен на работу в закрытое авиационное КБ тюремного типа (т. н. «шарашку») — ЦКБ-29, где он работал до 1947 года. Принимал участие в работе по бомбардировщику Ту-2, под руководством А. Н. Туполева, также находившегося в заключении. Вскоре Бартини по его просьбе переводят в группу заключённого Д. Л. Томашевича («бюро 101»), где проектировали истребитель. Это сыграло злую шутку в судьбе Бартини — в 1941 г. трудившихся с Туполевым освободили, а сотрудники «101» вышли на свободу только после войны.
В 1946 Бартини был освобождён и после смерти Сталина реабилитирован (1956).
На счету Роберта Бартини свыше 60 проектов самолётов, в том числе:
- МТБ-2 (1930) — морской тяжёлыйбомбардировщик (проект)
- Сталь-6 (1933) — экспериментальный истребитель(опытный)
- Сталь-7 (осень 1935) — 12-местный пассажирский самолёт (опытный)
- ДАР (конец 1935) — дальний арктическийразведчик (опытный)
- Сталь-8 (1934) — истребитель на базе Сталь-6 (проект)
- Ер-2 (ДБ-240) (лето 1940) — дальний бомбардировщик на базе Сталь-7 (серия(428)
- Ер-4 (1943) — дальний бомбардировщик (опытный)
- Р — сверхзвуковой одноместный истребитель (проект)
- Р-114 (1942) — зенитный истребитель-перехватчик (проект)
- Т-107 (1945) — пассажирский самолёт (проект)
- Т-108 (1945) — лёгкий транспортный самолёт (проект)
- Т-117 (1948) — магистральный транспортный самолёт (не достроен)
- Т-200 (1947) — тяжёлый военно-транспортный и десантный самолёт (проект)
- Т-203 (1952) — сверхзвуковой самолёт с оживальным крылом (проект)
- Т-210 — вариант Т-200 (проект)
- Т-500 — тяжёлый транспортный экранолёт (проект)
- А-55 (1955) — бомбардировщик — летающая лодка средней дальности (проект)
- А-57 (1957) — стратегический бомбардировщик — летающая лодка (проект), дальность 14000 км
- Е-57 — (проект) гидросамолёт-бомбардировщик, носитель крылатой ракеты К-10 и ядерной бомбы. Экипаж — 2 человека. По конструкции самолёт был идентичен А-57. Бесхвостка. Дальность — 7000 км
- Р-57(Ф-57) — сверхзвуковой фронтовой бомбардировщик (проект), развитие проекта А-57
- Р-АЛ (1961) — дальний разведчик с ядерной силовой установкой (проект), развитие проекта А-57
- Бе-1 (1961) — лёгкая амфибия (опытный — для исследования экранного эффекта)
- МВА-62 (1962) — проект самолёта-амфибии с вертикальным взлётом и посадкой.
- ВВА-14М-62 (1972) — вертикально взлетающая амфибия — противолодочный экранолёт (модификация 14М1П)
Похоронен в Москве на Введенском кладбище (29 участок). На памятнике надпись: В стране Советов он сдержал свою клятву, посвятив всю жизнь тому, чтобы красные самолёты летали быстрее чёрных.
