Конструктор Александр Сергеевич Москалев в годы первых пятилеток создал более десяти опытных, экспериментальных и серийных самолётов. В их числе были машины необычных для тех лет схем — с треугольным стреловидным крылом минимального удлинения и истребитель-бесхвостка.

Свою творческую деятельность в авиации А. С. Москалев начал в 1929 году в техническом отделе завода «Красный лётчик». В 1932 году Москалев был назначен одним из руководителей конструкторского бюро, строившегося в Воронеже авиазавода. Одновременно молодой инженер работал преподавателем в авиатехникуме.

Чтобы помочь коллективу быстрее освоить производство металлических самолётов, А. С. Москалев предложил ещё до полного пуска завода в готовых цехах начать постройку опытного лёгкого цельнометаллического самолёта. Предложение было принято. Через год самолёт, сконструированный А. С. Москалевым и названный САМ-5, совершил первый полёт. Машина получилась удачной. Скорость этого свободнонесущего моноплана с М-11 достигала 175 км/час.

В 1935 году молодой конструктор при поддержке областной организации Осоавиахима и студентов авиатехникума закончил работу над новым вариантом самолёта тоже с двигателем М-11 и максимальным использованием в конструкции дерева. Машина, названная САМ-5-бис, получилась предельно лёгкой и весьма экономичной.

В октябре 1936 года лётчик Н. Д. Фиксон и бортмеханик А. С. Бузунов за 25 час. 05 мин. пролетели на нём почти 3200 км по ломаному маршруту, установив международный рекорд дальности для такого класса самолётов. Взлётный вес моноплана САМ-5-бис 1500 кг, в том числе 620 кг бензина. Большая весовая отдача — свыше 45 процентов — позволяла брать на борт в случае необходимости до шести пассажиров.

Продолжая совершенствовать самолёт, группа А. С. Москалева в 1937 году передала на испытания его третий вариант — САМ-5-2-бис. Этот моноплан со свободнонесущим крылом площадью в 21,86 м2 при взлётном весе 1160 кг брал до 504 кг полезной нагрузки. Его скорость — 204 км/час, потолок — 3800 м. В сентябре 1937 года начальник лётной части Воронежского аэроклуба А. Гусаров и командир эскадрильи аэроклуба В. Глебов совершили на САМ-5-2-бис дальний перелёт из Москвы до Красноярска. За 19 часов 59 мин. экипаж пролетел 3513 км, что было новым международным рекордом дальности.

После замены двигателя М-11 на МГ-21 в 200 л.с. лётчик В. Бородин на САМ-5-2-бис набрал высоту 8 тыс. м, что было рекордом высоты по классу лёгких многоместных самолётов.

САМ-5-2-бис строился небольшой серией.