Первый полет самолет с шифром «103» совершил 29 января 1941 года. На летных испытаниях опытной машине удалось достичь выдающейся для того времени скорости 635 км/ч. Уже в конце июля было принято решение запустить самолет в серию, правда, распоряжение Государственного комитета обороны выполнить так и не удалось из-за неготовности новой силовой установки.
Пришлось вместо двигателя АМ-37 использовать звездообразные М-82. С этими моторами новый бомбардировщик под обозначением Ту-2 и поступил в серийное производство. Первые машины были собраны в марте 1942 года, однако к тому времени фронт требовал больше истребителей, поэтому по решению Сталина Ту-2 был временно снят с производства.
Тем не менее испытания уже произведенных промышленностью бомбардировщиков продолжались. Летчики отмечали, что самолет по сравнению с имеющимися на фронте Пе-2 более легок в управлении, имеет лучшие летные характеристики и несет большую бомбовую нагрузку, которая может достигать 3 тонн.
Благодаря мощному наступательному вооружению - двум пушкам ШВАК, двум пулеметам ШКАС и десятку неуправляемых ракет РС-132, самолет может использоваться и в качестве штурмовика при условии установки брони перед штурманом и стрелком, отмечала испытательная комиссия.
В июле 1943 года серийное производство самолета было возобновлено, а новые бомбардировщики начали поступать в войска к весне 1944 года. Из имеющихся советских бомбардировщиков только Ту-2 имел возможность в дневное время совершать вылеты с мощнейшими на тот момент бомбами ФАБ-1000.
В качестве фоторазведчика Ту-2 уже в августе 1944 года производили съемку центра Берлина. К началу 1945 года в войсках имелось около трех сотен Ту-2. Они провоевали до окончания Великой Отечественной войны, а после ее окончания громили японскую армию.
Выпуск Ту-2 продолжался вплоть до 1950 года. Всего за это время было выпущено 2387 серийных машин, а А. Н. Туполев за создание этого бомбардировщика получил звание генерал-майора. Самолет оставался в строю вплоть до перевооружения ВВС СССР на реактивную авиацию, поставлялся в страны соцлагеря. В китайских ВВС бомбардировщик эксплуатировался дольше всего - вплоть до 1982 года.