Самолеты U-2 прошли испытание на скорость, высотный потолок, дальность полета и фотографические способности. Результаты последних продемонстрировали президенту Эйзенхауэру, представив ему сделанные с U-2 фотографии Сан-Диего, а также одной из его любимых площадок для гольфа. Очень большую роль играли испытания способности самолета скрываться от радиолокаторов. Американских операторов радиолокационных станций предупредили, что над американской территорией будут летать странные самолеты. Несмотря на предварительное уведомление, полеты U-2 то ли прошли незамеченными, то ли плохо отслеживались. Эти испытания, по словам Эйзенхауэра, "дали нам уверенность, что при нынешних характеристиках радиолокаторов и неспособности истребителей действовать на высотах свыше 50 тысяч футов разведывательные миссии U-2 будут проходить в относительной безопасности".

К первой половине 1956 года ЦРУ начало отправлять U-2 на заморские базы. Первые два U-2 были отправлены в Лакенхиз (Англия), где подразделение А должно было действовать под прикрытием мнимой 1-й вспомогательной метеоразведывательной эскадрильи (1st Weather Reconnaissance Squadron, Provisional, WRSP-1). Однако после фиаско разведки, последовавшего в том же году, — дела Краббе, — британское правительство решило, что вылет подобных самолетов с британской территории нежелателен. Подразделение A/WRSP-1 перебазировалось в Висбаден (Западная Германия). Второе подразделение — B/WRSP-2 — обосновалось на авиабазе Инкрилик под Аданой (Турция). Впоследствии оно поглотило подразделение А и включало в себя семь пилотов и пять самолетов.

Пока ЦРУ готовилось к программе пролетов, гражданский Национальный консультативный комитет по аэронавтике (National Advisory Committee on Aeronautics, NACA) начал готовить легенду для прикрытия операции. Весной 1956 года NACA объявил о разработке нового самолета (U-2) для использования в высотных метеорологических исследованиях. Согласно версии комитета, самолеты должны были использоваться для сбора данных о погодных условиях в окрестностях Балтийского моря.

Первый оперативный полет U-2 над Восточной Европой состоялся 20 июня 1956 года. Позднее в том же месяце Биссел получил санкцию Эйзенхауэра начать полеты над Советским Союзом при наличии благоприятных погодных условий в ближайшие десять дней. После этого Биссел должен был запросить дополнительное разрешение. Три дня спустя, получив сведения, что условия над Центральной Россией благоприятны, Биссел отправил в Висбаден сигнал, санкционирующий первый полет.

4 июля "Артикул-347" (Article 347 — под таким названием был известен данный самолет), пилотируемый Гарви Стокманом, вылетел из Висбадена. Стокман пролетел над Восточным Берлином, через Северную Польшу и Белоруссию вплоть до Минска. В этом месте он повернул самолет налево и направился к Ленинграду. Миссия завершилась без инцидентов, однако была обнаружена Советами. Истребители МиГ поднялись в воздух и отправились вслед за U-2, но не смогли добраться до него. За Ленинградом Стокман повернул вниз по Балтийскому побережью Эстонии, Латвии и Литвы и вернулся на базу.

Непосредственно за этим полетом последовали еще четыре миссии, две 5 июля и две 9-го. 5 июля один самолет вылетел из Висбадена, пролетел через польское воздушное пространство, проследовал на восток до Киева, повернул на север к Минску, затем пролетел над Москвой и вернулся через Ленинград и советские республики Балтии. И снова советские МиГи пытались, но не смогли перехватить нарушителя.

Эти пять миссий обеспечили большое количество данных, представлявших интерес для аналитиков разведки. На фотографиях были видны сильно обороняемые районы Москвы и Ленинграда, признаки промышленной деятельности вокруг этих городов, а также контуры атомных электростанций, пусковых площадок и самолетных ангаров. Они также выявили, что темпы советской программы МБР нарастают.

Вдобавок эти полеты показали, что угроза со стороны советских реактивных бомбардировщиков, представленных М-4 и Ту-95, относительно невелика. Во время первых миссий был совершен облет практически всех выявленных баз бомбардировщиков, а также авиационного завода под Москвой. Выводы из фотографий противоречили только что изданной национальной разведывательной оценке, согласно которой в строю находилось 65 бомбардировщиков дальнего действия М-4 и Ту-95, к середине 1958 года их число должно было вырасти до 470, а к середине 1960-го — до 800 (500 Мя-4 и 300 Ту-95). Данные U-2 в сочетании с анализом советской промышленной базы и сомнениями по поводу характеристик двигателей Мя-4 заставили ЦРУ заключить, что их предыдущие выводы, основанные на наблюдениях военного атташе во время воздушного парада 1955 года, были ошибочны.

Самолеты покинули советскую территорию без повреждений, однако, как было отмечено, не избежали обнаружения. 11 июля Советский Союз предъявил Госдепартаменту протест по поводу этих нарушений. В ноте указывались полетные маршруты, глубины проникновения и время, проведенное в советском воздушном пространстве для двух первых полетов. Согласно советской ноте, маршрут за 4 июля проходил через Минск, Вильнюс, Каунас и Калининград; глубина 320 километров, а время 1 час 32 минуты. Один из полетов 5 июля проходил через Брест, Минск, Барановичи, Каунас и Калининград. Нота заключала, что "нарушение границ воздушного пространства Советского Союза американскими самолетами нельзя понимать иначе как намеренное вторжение с разведывательными целями".

Ко времени, когда нота была доставлена. Советам были известны скорость, высота и радиус полета U-2, но не возможности их фотокамер. Что важнее, им не было известно, как предотвратить полеты нарушителей. Ракеты ПВО были рассчитаны на высоты до 60 тысяч футов, после чего из-за разреженности воздуха теряли управление.

И хотя ЦРУ полагало, что ракеты в принципе могут достичь высот 70–80 тысяч футов, этого не произошло.

Но советские политические протесты оказались действенными. В результате дипломатической ноты от 11 июля в течение нескольких месяцев больше не был предпринят ни один полет. Программа была возобновлена в конце 1956 года, и в 1957 году в Ацуги (Япония) появилось подразделение C/WRSP-3. Дополнительные оперативные базы были организованы в Пакистане — в Лахоре и Пешаваре. Самолеты, вылетавшие с пакистанских баз, разыскивали атомные сооружения вдоль транссибирской железной дороги, фиксировали их местоположение, фотографировали крупные радиолокаторы близ участка падения ракет, запускаемых из Капустного Яра, и изучали деятельность на полигоне в Тюратаме, где испытывались БРСД ракеты СС-3 и СС-4 и МБР СС-6.

Само существование тюратамского полигона было открыто пилотом U-2. Ричард Биссел вспоминает, что пилот "изменил курс своей властью. Пролетая над Туркестаном, он вдали заметил нечто показавшееся интересным и свернул к тюратамской пусковой площадке — и в отличие от всех остальных целей, которые мы исследовали, мы даже не догадывались о ее существовании… А он вернулся с чудеснейшими фотоснимками этого места, и через пять дней фотоинтерпретаторы сумели построить картонную модель всего тюратамского полигона — дороги, железнодорожные пути, пути снабжения и все прочее".

U-2 также активно использовали для полетов над другими регионами мира (Китай, Ближний Восток, Индонезия), а также для периферийных разведывательных миссий, включавших фотографирование, электронную разведку и ядерный контроль. Фрэнсис Гэри Пауэрс вспоминает, что "мой первый полет с миссией электронного наблюдения проходил вдоль границ за пределами России, и специализированная аппаратура отслеживала и записывала советские радиолокационные и радиочастоты… Обычно мы вылетали из Турции на восток вдоль южной границы Советского Союза… до Пакистана и обратно".