Наиболее существенные изменения были внесены в эталоны 1934, 1937, 1938, 1939 гг.
Конструкция и летные характеристики машины к 1933 г. стали относительно стабильными. В «Техническом описании самолета У-2 с мотором М-11» (2-е издание, М.: Госвоениздат, 1933 г.) указывалось, что полная длина самолета составляет 8,17 м, размах — 11,42 м, полетный вес — 890 к г. У-2 развивает у земли максимальную скорость 156 км/ч. Высоту 1000 м он набирает за 5,6 мин, 2000 м — за 13,0 мин, 3000 м — за 23 мин. Практический потолок равняется 3820 м. Разбег 70 м (8 секунд), пробег — 125 м (11 секунд).
В 1939 г. самолет с мотором М-11 Г имел практически ту же максимальную скорость, но время подъема на высоту 1000 м составляло 7 мин, 2000 м — 16 мин, 3000 м — 30 мин. Практический потолок — 4200 м. Разбег — 72 м (9 секунд), пробег — 95 м (11 секунд).
Кроме самолетов, завод выпускал еще так называемые «групповые комплекты У-2». Так какодни из основных конструктивных материалов — дерево и полотно — не являются достаточно долговечными, то на каждый построенный самолет завод выпускал в качестве запасных частей по одному комплекту крыльев и оперения, половине комплекта фюзеляжа.
В 30-х гг. небольшая партия У-2 была поставлена в Китай, два экземпляра — в Турцию.
Эксплуатация У-2 началась с 1930 г., когда в феврале первые машины поступили в Борисоглебское военное училище, а осенью того же года — в Качинское. В дальнейшем поставки самолетов в военные училища и строевые части, где они выполняли роль связных и легких транспортных машин, увеличивались.
В начале 1932 г. в ВВС насчитывалось 212 У-2, в ноябре 1933 г. — уже 1036. По состоянию на 22 июня 1941 г. только в частях ВВС ВМФ находилось 390 У-2.
С 1931 г. У-2 появились в Батайском, Тамбовском, Балашовском училищах гражданской авиации (регистрационные номера СССР-Ш69 и др.), в Ленинградском учебном комбинате, других учебных заведениях.
Еще одной организацией, куда поставлялись У-2, являлось оборонное общество Осоавиахим. Появление У-2 по времени совпало с развертыванием ряда мероприятий в рамках единой и целенаправленной государственной политики по резкому увеличению численности военной и гражданской авиации. В частности, на IX съезде ВЛКСМ в январе 1931 г. выступил народный комиссар по военным и морским делам председатель Реввоенсовета СССР К. Е. Ворошилов и предложил взять шефство над Военно-воздушными силами. «Комсомолец, на самолет!» — провозгласил съезд свой лозунг. Тысячи молодых людей, избрав для себя профессию военного или гражданского летчика, направились в летные военные училища или училища ГВФ. Многие юноши и девушки, мечтая научиться летать, увлеченные самолетным спортом, поступали в аэроклубы добровольного оборонного общества Осоавиахим. Государство оказывало обществу большую поддержку: подготовленные аэроклубами летные кадры рассматривались как резерв на случай войны. По всей стране шел сбор средств для Осоавиахима. На эти деньги закупались самолеты, строились аэродромы.
В 1931 г. Осоавиахим получил первый У-2 с регистрационным номером СССР-С102, затем число машин этого типа в аэроклубах неуклонно возрастало.
К 1936 г. оборонное Общество имело в своем составе уже 150 аэроклубов, около 3000 самолетоs, большую часть из которых составляли У-2.
В 1933 г. впервые проводился День Воздушного флота СССР. Он стал ежегодным праздником страны.
За долгие годы эксплуатации на У-2 прошли обучение летному мастерству тысячи молодых летчиков. Этому способствовали хорошие пилотажные качества, низкая вертикальная скорость планирования, около 2 м/с. Для сравнения: скорость снижения парашютиста составляет 1–5 м/с. Ввиду малого разбега (всего 70 м) и пробега (100–110 м) У-2 мог эксплуатироваться с небольших площадок, выполняя такие задачи, какие в настоящее время возлагаются на вертолеты.
В умелых руках самолет позволял многое. Рассказывают, что однажды В. П. Чкалов пролетел на самолете между двумя соснами, расстояние между которыми было меньше размаха крыла. Чтобы не зацепить за сосны консолями, Валерий Павлович развернул У-2 по крену на 90°, поставив коробку крыльев вертикально, и свободно прошел между ними.
Да и сама конструкция У-2 была достаточно проста и надежна. В 1935 г. в одной из летных школ инструктор так остроумно и доходчиво объяснял курсантам особенности силовой схемы машины: «Самолет У-2 состоит из палочек и дырочек. Палочки для усиления, дырочки — для облегчения».