Вернувшись в конце 1934 года из Китая, Полынин уже в мае следующего года окончил при воздушной академии курсы усовершенствования командного состава ВВС СССР и был назначен командиром 23-й тяжелобомбардировочной эскадрильи авиационной бригады при той же академии.

В те годы Федор Петрович летал на самолетах: ТБ-1, Р-6, ТБ-3, а с 1936 года и на скоростном бомбардировщике СБ. Тем временем в мире назревали и развернулись в дальнейшем грозные события.

В 1931 году Япония оккупирует Маньчжурию, а в июле 1937 г. – развязывает войну с целью порабощения всего китайского народа. Многие воины Красной Армии добровольно покидали родную землю, чтобы своим мужеством и отвагой, не щадя своей крови и жизни помочь борющемуся с захватчиками Китаю. И в этой борьбе большую помощь им оказали советские летчики-добровольцы. В их числе был и Федор Петрович Полынин. В 1937-1938 гг., сражаясь в жарком небе Китая он возглавлял бомбардировочную авиацию Ханькоуской группы.

Большой летный опыт, в том числе и боевой, а также хорошие организаторские способности стали залогом успеха разработанных при непосредственном участии Полынина бомбардировочных ударов по войскам и кораблям противника, железнодорожным мостам и дорогам. Особенно эффективные удары были нанесены по военной базе, располагавшейся на оккупированном Японией с 1895 года острове Формоза (Тайвань).

Боевая деятельность полковника Федора Полынина в Китае была особо отмечена правительством СССР: «За ваш героический подвиг, проявленный при выполнении специальных заданий правительства по укреплению оборонной мощи Советского Союза Президиум Верховного Совета СССР Указом от 14 ноября 1938 года присвоил вам звание Героя Советского Союза (подпись – М. И. Калинин)».

Через сорок с лишним лет будет выпущена книга «В небе Китая. 1937-1940». Ее автором являлся Федор Петрович Полынин.

Почти сразу по возвращении из своей второй «китайской» правительственной командировки полковник Полынин на советско-финляндскую войну, где командует воздушными силами 13-й армии.

После заключения 12 марта 1940 г. мирного договора между СССР и Финляндией генерал-майор авиации Федор Полынин назначается заместителем командующего авиацией Киевского особого военного округа.

Великая Отечественная война застала Федора Петровича в должности командира 13-й бомбардировочной дивизии Белорусского особого военного округа. В августе 1941 года Полынин получает новое назначение – командующий ВВС Брянского фронта.