По позже опубликованным сведениям разработка этого самолета была поручена А. Н. Туполеву не сразу, так как руководство вначале предполагало поручить Андрею Николаевичу разработку крупногабаритного четырехмоторного бомбардировщика. Однако в стране уже был тяжелый самолет-бомбардировщик ТБ-7.
Сборка самолета Ту-2 производилась в сложных условиях, обусловленных положением создававших его авиационных специалистов. В частности, каждому заключенному полагался персональный охранник ("тягач"), а их не хватало. Предложение об уменьшении числа охранников не было одобрено, и тогда решили "уплотнить" время пребывания заключенных в сборочном цеху. Это привело к спешке, к ошибкам и просчетам, что в те времена могло быть объявлено сознательным вредительством.
Были, конечно, и сугубо технические трудности, например подбор современного оборудования, которое просто не было известно сидящим за решеткой конструкторам. Правда, один раз группу В. Л. Кербера свозили на московский завод, но затем это было запрещено.
Тем не менее самолет был построен, и в январе 1941 г. начались его заводские летные испытания, которые проводили летчик М. А. Нюхтиков и другие летчики-испытатели. Испытания показали, что самолет достигает максимальной скорости (650 км/ч) на высоте 8000 м, т. е. превосходит по этому параметру зарубежные бомбардировщики и многие истребители. Была продемонстрирована возможность выполнения летчиком обязанностей штурмана и вести придельное бомбометание. При испытаниях были определены оптимальные условия для бомбометания при больших углах пикирования (до 75°) с различных высот. Но в дальнейшем было решено увеличить численность экипажа до четырех человек, что несколько ухудшило летно-технические данные самолета, но существенно повысило его боеспособность. Вооружение самолета состояло из двух пушек калибра 20 мм и трех пулеметов, мощная броня защищала кабины экипажа.
Самолет был подготовлен к серийному производству, но началась война и ОКБ А. Н. Туполева эвакуировалось в Сибирь, где разместилось на предприятии, совершенно не приспособленном к производству самолетов, но, несмотря на это, в 1942 г. самолет прошел государственные испытания и завод начал его серийное производство. Первым летчиком-испытателем серийных самолетов Ту-2 являлся М. П. Васякин, который, сформировав полк этих пикирующих бомбардировщиков, первым и начал боевые действия на фронте.
Вскоре самолет подвергся некоторой модернизации: на нем были установлены более мощные моторы АШ-82ФН конструкции А. Д. Швецова с регулируемыми лобовыми шторками против переохлаждения цилиндров, устройство для обеспечения работоспособности маслосистемы при пикировании самолета, протектированные топливные баки, заполнявшиеся нейтральным газом, и осуществлены другие технические усовершенствования.
Существовал вариант Ту-2, который мог использоваться в качестве торпедоносца и постановщика мин.
Боевое применение самолета Ту-2 началось в сентябре 1942 г., когда первые три серийных самолета прибыли на Калининский фронт для войсковых испытаний. Но таких пикирующих бомбардировщиков не хватало, и их использовали в особо важных боевых операциях, а также как самолеты-разведчики.
В составе 285-й бомбардировочной авиационной дивизии полковника В. А. Сандалова уже 18 таких самолетов принимали участие в сражениях на Курской дуге. Командование ВВС имело намерение использовать пикирующие бомбардировщики при штурме укреплений на Карельском фронте в 1944 г., однако в целях сохранения секретности и внезапности применения этих самолетов на других направлениях от их применения на Карельском фронте отказались до начала Белорусской операции. В Выборгской операции самолеты Ту-2 в составе группы из 600 бомбардировщиков нанесли массированные удары по вражеским объектам и потерь не имели. Эти пикирующие бомбардировщики успешно воевали на заключительном этапе Великой Отечественной войны, участвуя в сражениях в Восточной Пруссии и Берлинской операции. В первый же день боев за Берлин 54 самолета Ту-2 корпуса генерала И. П. Скока бомбили центр города, сбросив 94 т бомб, и с каждым днем удары становились более массированными.
Пикирующие бомбардировщики Ту-2 участвовали и в боевых операциях на Дальнем Востоке при разгроме японских милитаристов.
Боевые качества самолета Ту-2 высоко ценились летчиками, а Главный маршал авиации А. А. Новиков считал его лучшим пикирующим бомбардировщиком войны.
Самолет Ту-2 состоял на вооружении наших ВВС более десятка лет после войны и до 1951 г. выпускался серийно. Всего было построено 2527 таких машин, из них около 800 самолетов принимало участие в боевых действиях Великой Отечественной войны.
В первые послевоенные годы ОКБ А. Н. Туполева вело разработку одного из последних самолетов с поршневыми двигателями. В 1947 г. был построен тяжелый бомбардировщик Ту-4. Для его производства потребовалось значительное переоборудование авиационного завода, на котором он выпускался, применение новой технологии и в какой-то мере использование материалов, мало применявшихся до того времени.
В июле 1947 г. три самолета Ту-4 были продемонстрированы на воздушном параде в Тушино, а к концу года на одном из аэродромов находилось уже 20 таких самолетов. Начались широкие летные испытания. Летом 1948 г. испытания закончились. Машина между тем уже находилась в серийном производстве и в течение долгого времени оставалась основным самолетом отечественной дальней авиации.
На базе Ту-4 был построен пассажирский лайнер Ту-70, способный транспортировать 74 человека со скоростью 500 - 600 км/ч на расстояние 5000 км.
Новым этапом в создании необходимых условий эксплуатации этого самолета явилось проектирование герметических кабин, которые в то время еще не создавались. Встал также вопрос об обеспечении пассажиров в пути горячей пищей. На довоенных пассажирских самолетах, находившихся в полете 2 - 3 ч, такой необходимости не было. В ноябре 1948 г. начались испытания пассажирского лайнера. Однако дальнейшие работы над этой машиной пришлось прекратить. Конструкторское бюро по заданию командования Военно-воздушных сил приступило к проектированию дальнего самолета с четырьмя поршневыми двигателями, который преодолевал бы расстояние 12 - 13 тыс. км без посадки. Для этой цели конструкторские бюро В. А. Добрынина и А. Д. Швецова должны были создать двигатели огромной мощности. Масса самолета превышала 100 т, размах крыла достигал 65 м, длина фюзеляжа - 34 м,
Один из испытательных полетов этой машины продолжался 27,5 ч. Однако, несмотря на достигнутые результаты, было ясно, что поршневые двигатели себя уже изжили. ВВС и промышленность выступили с предложением прекратить работы над самолетом и перейти на разработку летательных аппаратов с турбореактивными силовыми установками.
Дело в том, что авиационная техника с поршневыми двигателями (винтомоторными силовыми установками) подошла к рубежу, который уже не могла преодолеть. В период наиболее широкого применения поршневых двигателей в авиации самолеты-истребители достигли скорости 600 - 700 км/ч и высоты 12 13 км. Дальнейшего увеличения скорости с силовыми установками этого типа добиться было невозможно. Объясняется это тем, что развиваемая винтомоторной установкой тяга быстро уменьшается с увеличением скорости полета, тогда как из-за значительного увеличения сопротивления самолета на больших скоростях потребная тяга резко возрастает. Для дальнейшего улучшения летных данных самолета требовалась силовая установка иного типа.
В ОКБ А. Н. Туполева на основе Ту-2 был разработан экспериментальный самолет Ту-12. В отличие от своего прототипа он имел реактивные двигатели и измененную в связи с этим носовую часть фюзеляжа. Летные данные машины были несколько лучшими, чем у самолета Ту-2. Но для достижения качественного скачка требовалась не только замена двигателей, но и иная компоновка самолета, а также многих его систем.