Проект самолета Ту-2 был разработан еще в 1939 году. Его первый экземпляр под обозначением «103У» с двигателями АМ-37 жидкостного охлаждения был построен в конце 1940 года. Схема Ту-2 – среднеплан с большим бомбовым отсеком под крылом, с разнесенным хвостовым оперением. Шасси одностоечное с вилкой для колеса, убираемое назад в заднюю часть мотогондол, а хвостовое колесо – назад в фюзеляж. Кабина летчика и сидевшего сзади него штурмана-стрелка – в носовой части фюзеляжа, перед крылом. В самом носу остекление для обзора летчику вниз и вперед. Штурман немного смещен вправо для обзора. Кабина стрелка-радиста – непосредственно за крылом, с обзором назад и вверх. Люковая – кинжальная – установка для обстрела назад и вниз обслуживалась стрелком-радистом или стрелком. Экипаж обычно 4 человека, в дальних вариантах – 5, иногда – 3, а бывали случаи всего 2. Конструкция самолета – цельнометаллическая. Клепка потайная. Фюзеляж – полумонокок с каркасом. Обшивка сравнительно толстая. Крыло из центроплана с двигателями и консолей однолонжеронное. Размах крыла 18,86 м, площадь – 48,8 м², удлинение – 7,3, САХ – 2,885 м, горизонтальное оперение – 8,72 м², вертикальное – 5,32 м². Управление самолетом жесткое одиночное, щитками, створками, тормозами колес – от гидросистемы. Вооружение в типовом варианте: 2 пушки ШВАК неподвижные вперед в центроплане у бортов фюзеляжа, для защиты задней полусферы – три-пять пулеметов ШКАС в двух-трех стрелковых точках, заменены потом на УБТ 12,7 мм.
Самолет показал на государственных испытаниях летом 1941 года выдающиеся данные и был рекомендован к серийному производству. Но организовать массовый выпуск этого самолета в то время не удалось в основном из-за того, что моторы АМ-37 не выпускались серийно. Необходимо было срочно разработать новый вариант «103У» под серийные двигатели. Ими стали моторы М-82, незадолго до этого прошедшие государственные испытания.
Еще до эвакуации КБ А.Н.Туполева в основном завершило проектирование модификации самолета под эти моторы. По сравнению с АМ-37 мотор М-82 имел большую мощность, меньшую высотность и заметно больший мидель. Уже в ноябре 1941 года новый фронтовой бомбардировщик «103В» был построен, и в декабре начались его летные испытания, которые показали, что максимальная скорость «103В» значительно меньше, чем у «103У», но на небольших высотах их скорости были близки. Еще во время испытаний «103В» началась подготовка к его серийному производству, которое и развернулось летом 1942 года в Омске.
В сентябре 1942 года первые серийные Ту-2 были отправлены на фронт для прохождения войсковых испытаний. Летчики-фронтовики высоко оценили новый бомбардировщик. Им нравилась легкость освоения самолета, хорошая схема оборонительного огня, повышенная живучесть моторов воздушного охлаждения, возможность уверенного полета на одном моторе. В ходе боевых испытаний Ту-2 показал отличные качества. Его скорость достигала 547 км/час, потолок – 9,5 км при бомбовой нагрузке в 1 т. В случае необходимости Ту-2 брал до 4 т бомб. Для защиты от истребителей бомбардировщик имел две 20-мм пушки и три пулемета калибра 12,7 мм.
Казалось, самолет пойдет в массовое производство. Но этого не случилось. Более того, последовало решение о прекращении только что с таким трудом налаженного выпуска Ту-2 и организации на заводе выпуска истребителей Як. Сегодня такое решение представляется очевидно ошибочным. Хотя серийный выпуск Ту-2 был прекращен, было все-таки ясно (это подтвердили войсковые испытания самолета на Калининском фронте), что для обеспечения грядущих наступательных, широкомасштабных операций Ту-2 был бы незаменим.
Поэтому уже в 1943 году принимается решение о налаживании производства этого самолета на других заводах. Серийные Ту-2 вновь появились на фронте только в конце 1943 года, но они существенно отличались от Ту-2 выпуска 1942 года. Конструкторский коллектив под руководством Туполева провел большую работу по упрощению конструкции и производства этого самолета. В результате трудовые затраты на выпуск одного Ту-2 сократились примерно на 20 %, повысились надежность и живучесть бомбардировщика, уменьшился его вес. Установка более мощных моторов АШ-82ФН обеспечила прирост скорости на 20...25 км/час; было усилено оборонительное вооружение. Кроме того, этот бомбардировщик, получивший название Ту-2С, мог с незначительными переделками использоваться в вариантах разведчика, дальнего бомбардировщика и торпедоносца. В массовой серии выпускался только вариант бомбардировщика (Ту-2С). Новый пикирующий бомбардировщик Ту-2 имел по сравнению с Пе-2 следующие важные преимущества: – в три раза большую максимальную бомбовую нагрузку (3000 кг против 1000 кг у Пе-2); – возможность нести на внутренней подвеске бомбы крупного калибра до 1000 кг (Пе-2 мог брать в бомбоотсек бомбы калибра не более 100 кг).
Фpoнтoвoй пикирующий бомбардировщик Ту-2С с моторами АШ-82ФН имел возможность сброса бомб на пикировании не только с внешней подвески, как у Пе-2, но и из бомбоотсека; более мощное оборонительное вооружение (пять ШКАСов и две ШВАК против двух ШКАСов и двух УБ у Пе-2); значительно большую дальность полета (2000...2200 км против 1200...1300 у Пе-2); лучшие пилотажные качества; скоростные характеристики Ту-2 и Пе-2 были близки. Во всех модификациях и вариантах Ту-2 сохранялась его схема и конструкция. Менялись двигатели, вооружение, оборудование. Размеры менялись незначительно, кроме вариантов, имевших повышенную дальность полета, где была заметно увеличена площадь крыла, а с ним и оперения. Немного менялась форма и длина носовой части фюзеляжа. За годы войны промышленность успела выпустить около 800 самолетов Ту-2, которые прекрасно зарекомендовали себя на фронтах. Он строился серийно на протяжении нескольких послевоенных лет, до смены его реактивными бомбардировщиками.
В КБ Туполева дальний бомбардировщик создавался на основе серийного Ту-2С, при разработке которого такая переделка предусматривалась. В 1944 году на летные испытания последовательно передаются два варианта дальнего бомбардировщика Ту-2Д («62»). Первый вариант был подобен серийному Ту-2С и отличался от него лишь большим размахом консолей крыла и увеличенным на 48 % запасом топлива. Второй вариант имел, кроме того, увеличенный до пяти человек экипаж и новую кабину штурмана в носовой части фюзеляжа. Этот вариант в наибольшей степени отвечал требованиям военных специалистов к новому дальнему бомбардировщику. В соответствии с этими требованиями самолет должен был иметь скоростную дальность полета 3000 км, максимальную скорость 530 км/час, потолок 9000 м и бомбовую нагрузку от одной до трех тонн. На государственных испытаниях в 1945 года пятиместный Ту-2Д показал характеристики, близкие к заданным, кроме. Скоростная дальность, то есть дальность при повышенной скорости полета, оказалась почти на 400 км, а максимальная на 200 км меньше заданной. Необходимо было увеличивать запас топлива. Требовалось также усилить шасси. Работы по совершенствованию и развитию Ту-2Д проводились в КБ Туполева уже в послевоенный период. На базе Ту-2Д были созданы самолеты «65», «67» и «69». Они имели различные типы силовых установок: высотные моторы, дизельные и обычные АШ-82ФН. Но в серию ни один из этих самолетов не пошел. Функции двухмоторных дальних бомбардировщиков стали возлагать на тяжелые машины. Кроме того, появившиеся в тот период газотурбинные двигатели в перспективе открывали совершенно новые возможности в развитии бомбардировочной авиации. По существу, самолеты семейства Ту-2Д стали последними отечественными дальними двухмоторными бомбардировщиками с поршневыми двигателями.
Всего было построено около 100 самолетов Ту-2 во время в Второй мировой войны  и 2527 – после нее.