W 1937, po wygraniu kolejnych 22 walk (w tym 21 przez nokaut) i pokonaniu m.in. takich bokserów, jak California Joe Rivers, Mike Belloise, Frankie Klick i Benny Bass Armstrong otrzymał szansę walki o tytuł powszechnie uznawanego mistrza świata wagi piórkowej. 29 października tego roku znokautował obrońcę tytułu Peteya Sarrona w 6. rundzie w Madison Square Garden w Nowym Jorku. W tym samym roku wygrał jeszcze 4 walki przez nokaut.
Armstrong rozpoczął 1938 rok od siedmiu kolejnych nokautów (w tym przyszłego mistrza świata Chalky Wrighta), aż 15 marca musiał stoczyć pełne 10 rund w swej czwartej walce z Arizmendim, którą wygrał na punkty. Seria 27 kolejnych nokautów jest uważana przez magazyn „The Ring” za najdłuższą w historii boksu. Po dwóch kolejnych nokautach zmierzył się 31 maja w Nowym Jorku o tytuł mistrza wagi półśredniej ze znacznie cięższym ówczesnych czempionem Barneyem Rossem, którego pokonał na punkty po 15 rundach. W następnej walce 17 sierpnia tego roku zdobył mistrzostwo świata wagi lekkiej po wygraniu na punkty po15 rundach z obrońcą tytułu Lou Ambersm. Tym samym Armstrong został jednoczesnym mistrzem świata w trzech klasycznych kategoriach wagowych. W listopadzie zrezygnował jednak z tytułu w wadze piórkowej.