Подготовку к серийному выпуску самолета «103» ОКБ Туполева начало в феврале 1941 года, еще до завершения государственных испытаний машин «103» и «103У» и до решения ГКО о серийном выпуске самолета. Приказом НКАП № 533 от 17 июня 1941 года серийный выпуск самолета следовало организовать на заводе № 18. Однако война спутала все планы. Вскоре после начала боевых действий ОКБ Туполева вместе с главной частью завода № 156 эвакуировалась в Сибирь, где их объединили с заводом № 81, сформировав завод № 166. Именно этот завод и приступил к выпуску самолетов «103У».

Поскольку в Омске некому было заниматься налаживанием серийного производства, эту обязанность возложили на ОКБ Туполева.

В сентябре 1941 года были готовы чертежи. Завод приступил к сборке первых «103У» 2АМ-37. Однако уже 20 ноября 1941 года появился приказ НКАП № 1147, в котором предписывалось переключиться на выпуск самолетов «103В» со звездообразными двигателями М-82. Потребовалось переналаживать часть сборочной линии, а также готовить 1500 новых чертежей. В нормальный ритм завод вошел лишь в январе 1942 года.

В марте 1942 года самолет «103В» стал называться Ту-2. Самолет — конструктивно членился на ряд узлов, которые можно было изготавливать отдельно, даже на разных предприятиях, и соединять лишь в сборочном цеху.

Первые серийные Ту-2 завод № 166 дал в феврале 1942 года. В апреле того же года три серийные машины передали в НИИ ВВС для войсковых испытаний. 14 сентября 1941 года звено Ту-2 начало службу в составе 3-й воздушной армии на Калининском фронте. Новые бомбардировщики получили очень высокую оценку фронтовых пилотов, которые просили как можно быстрее оснастить этими самолетами боевые части.

Самолеты Ту-2 первых серий выпускались в варианте пикирующего бомбардировщика. Несколько самолетов изготовили в варианте разведчика. Выпуск Ту-2 завершили 7-й серией в октябре 1942 года. Завод № 166 переориентировали на выпуск истребителей Як-7. Самолеты Ту-2, выпущенные в Омске в 1942 году в рамках семи серий:

1-я серия выпускалась в феврале-апреле числом 5 машин (101–105):

2-я серия выпускалась в апреле-мае числом 5 машин (201–205);

3-я серия выпускалась в мае-июне числом 10 машин (301–310):

4-я серия выпускалась в июне-июле числом 10 машин (401–410);

5-я серия выпускалась в июле-августе числом 10 машин (501–510);

6-я серия выпускалась в августе-сентябре числом 20 машин (601–620):

7-я серия выпускалась в сентябре-ноябре числом 20 машин (701–720):

Из числа машин 7-й серии самолеты «713», «714», «716» и «718» отправили в Москву, где прошли модификацию на заводе № 156 в дальние бомбардировщики.

Всего с сентября 1941 по октябрь 1942 года завод № 166 выпустил 80 Ту-2. Выпуск самолета в Омске возобновили лишь спустя три года приказом ГКО № 8934 от 6 июня 1945 года. В августе 1945 года ОКБ Туполева передало на завод новый комплект документации.

Выпуск Ту-2 на заводе № 23 возобновился во второй половине 1946 года. В августе 1947 года серийный Ту-2 «04/07» прошел модернизацию и был направлен на государственные испытания, продолжавшиеся с 29 января по 5 апреля 1948 года. Самолет показал следующие характеристики:

Взлетная масса: 11030 кг

Максимальная скорость: 535 км/ч на высоте 5700 м

Потолок: 9200 м

Скороподъемность: на 5000 м за 11,2 мин

Техническая дальность полета: 2620 км

По требованию военных завод № 166 выпустил в августе 1948 года Ту-2 2АШ-82-ФН-212 («06/15») со следующими изменениями в конструкции:

Установлена система антиобледенения крыльев, хвостового оперения, винтов н фонаря кабины;

Установлены винты АВ-9ВФ-2

На государственных не продолжавшихся с 4 октября 1948 года самолет «06/15 дующие результаты:

Взлетная масса: 11400 кг

Максимальная скорость 554 км/ч высоте 5550 м

Потолок: 9100 м

Скороподъемность: 5000 м за 10,3 мин

Техническая дальность полета: 2000 км.

Самолет успешно прошел государственные испытания.

23 сентября 1949 года в НИИВВС передали очередной Ту-2, выпущенный заводом № 23. Это был самолет «1660920» с винтами АВ-9ВФ-21к. На этом самолете устранили недостатки, отмеченные на «06/15». Ту-2 «1660920» был оборудован коротковолновой радиостанцией РСБ-5/ 230, искусственным горизонтом АГК-47А, гирокомпасом РАРК-5 и турелью БЕУ-1 с электроприводом. Самолет показал следующие характеристики:

Максимальная скорость: 560 км/ч на высоте 5550 м

Потолок: 9000 м

Скороподъемность: на 5000 м за 10,3 мин

Техническая дальность полета: 2050 км.

Этот самолет, оснащенный устройствами для пилотирования в условиях ограниченной видимости, прошел испытания успешно.

В июле 1949 года испытывался Ту-2 2АШ-82ФН с винтами АВ-9ВФ-21к, приспособленный для транспортировки автомобиля ГАЗ-67. Машина была построена на заводе № 166. Самолет развивал скорость всего 376 км/ч, что объяснялось большим лобовым сопротивлением подвешенного автомобиля. Самолет набирал высоту 5000 м за 24 минуты, а на высоте 6000 м был практический потолок.

Бомбардировщики Ту-2 начали массово применять в 1944 году.

После того, как завод № 166 свернул выпуск Ту-2, строительство самолетов этого типа планировали в Казани. Но решением ГКО от 17 июля 1943 года выпуск самолетов Ту-2 подхватил завод № 23. ОКБ Туполева оказало большую помощь заводу в освоении новой машины. Был подготовлен комплект документации, на завод выслали группу конструкторов. Эти меры позволили в сжатые сроки наладить серийный выпуск бомбардировщика.

Прототипом для серийных машин завода № 23 стал Ту-2С (стандартный) серийный номер «716». Самолеты в таком варианте с небольшими изменениями выпускались вплоть до 1946 года.

Развертывание выпуска Ту-2 на заводе № 23 сначала шло нелегко. Субподрядчики срывали сроки поставок или гнали брак. Не хватало квалификации и у рабочих завода. В результате выпуск развертывался с опозданием. В ноябре 1943 года вместо 10 запланированных машин удалось собрать только одну. В IV квартале 1943 года вместо 30 по плану завод собрал только 12 самолетов, а в I квартале 1944 года — вместо 88 только 31.