В это время производство У-2 в варианте бомбардировщика было поручено эвакуированному в Казань заводу № 387, прежде выпускавшему У-2 для аэроклубов. На многих учебных У-2 в процессе переделки их в бомбардировщики, а также на его военных модификациях для обеспечения прицеливания в обшивке правой половины нижнего крыла (между фюзеляжем и 1 — й нервюрой) делали вырез между лонжеронами. По результатам бомбометания на полигоне наносили риски у края прорези, по которым штурманы и вели потом прицеливание. В 272-й нбад прицелом служили два штырька, смонтированных на левом борту самолета. Точность установки «прицела» также проверялась на полигоне. Новые У-2 оснащались установкой пулемета LLIKAC. Это оружие рассматривалось скорее не как средство обороны от истребителей, а как средство подавления зенитных и прожекторных точек противника. Для стрельбы по ним самолет вводили в вираж. Огонь, из-за отсутствия ночных прицелов, вели по трассе. Его предписывалось вести с малых высот, до 400 м, но некоторые экипажи увлекались и открывали стрельбу с больших высот, бесцельно расходуя боекомплект.

На земле цели для ШКАСов находились в изобилии: эшелоны на перегонах, автотранспорт (обстреливались с высот до 100 м) и даже самолеты противника. Однажды в период блокировки аэродромов окруженной группировки Паулюса экипаж пилота Церкпевича заметил Ю-52, делавший предпосадочную «коробочку». У-2 встал во внутренний круг, а штурман открыл огонь по противнику. Транспортник вынужден был отказаться от посадки на этом аэродроме и уйти.

Незадолго до начала операции «Багратион» (1944 г.) в 9-й гвардейской дивизии самолеты дооборудовали установками для стрельбы снарядами PC, по 4 снаряда на самолет. Для ведения огня «эрэсами» в кабине пилота установили коллиматорный прицел. Некоторые бомбардировщики получили еще по паре установок для стрельбы «эрэсами» назад — для отражения атак истребителей противника. Самолет после произведенных доработок превратился в весьма эффективный НОЧНОЙ штурмовик, ЧТО ПОЗВОЛИЛО вести на нем «свободную охоту» за транспортом на коммуникациях противника. В такие полеты назначались только опытные экипажи. При атаке снаряды пускались поодиночке, и все равно создавалось впечатление, что биплан в такой момент останавливается в воздухе. На самолетах, использовавшихся для вылетов на разведку, устанавливался дополнительный бак емкостью 60 литров. Позднее, с зимы 1943/44 гг., они стали оснащаться аэрофотоаппаратами. В феврале 1944 г. в 9-й гв. нбад были проведены трехдневные сборы, на которых проводилось ознакомление экипажей-разведчиков с методикой воздушного фотографирования, техникой фоторазведки. С июня 1944 г. летчики дивизии приступили к фотоконтролю бомбовых ударов. Выполнение фотографирования осуществлялось, как правило, перед рассветом, с 3 до 4 часов утра, когда ПВО противника утрачивала бдительность после бессонной ночи и противодействовала слабо.

Наступление советских войск на Юго-Западном фронте зимой-весной 1942 г. сопровождалось взятием пленных и получением первых сведений «с той стороны» о боевой работе ночников У-2. Солдаты противника говорили, что из русской авиации их более всего донимают «безмоторные планеры»: момент их появления над позициями определяется только по свисту падающих бомб. Именно в этом наиболее ярко проявилось преимущество У-2 как ночного бомбардировщика — «положить» бомбу в костер, у которого греются солдаты противника, в блиндаж, неосмотрительно оставленный без светомаскировки, подавить огонь артиллерийской или минометной батареи, и даже отдельной пулеметной точки — все оказалось под силу экипажам бипланов, обладавшим уже кое-каким боевым опытом и хорошо освоившимся с не вполне обычным бомбардировщиком. Кроме того, быстрота подготовки самолета к повторному вылету и надежная связь с наземным командованием дали возможность оказывать на противника непрерывное боевое воздействие в течение всего темного времени суток, чем не только наносить ему конкретный материальный урон, но и изнурять психологически.

В тот период на ЮЗФ действовали 633-й полк У-2 и 5-й авиаотряд Особой авиагруппы ГВФ. Накануне наступления на Харьков авиация ЮЗФ пополнилась 596, 598 и 709-м полками ночных бомбардировщиков У-2.

Судьба 598-й нбап в период летней битвы 1942 г. неясна. По завершении наступления на Харьков командир полка получил строгое взыскание за плохую организацию перебазирования, полк исчез из отчетных ведомостей ВВС ЮЗФ и появился вскоре в списке частей, проходивших пополнение в 46-м зап.

596-й полк спустя короткое время после начала Харьковской операции стал оказывать помощь наземным войскам, обеспечивая снабжение попавшей в окружение 6-й армии Южного фронта. Экипажами полка было переброшено ей 182 613 кг боеприпасов и других грузов. Войска армии, благодаря помощи с воздуха, оказывали сопротивление противнику и частью сил смогли выйти из окружения.

Вынужденной мерой можно считать ведение полками У-2 дневной разведки противника в период боев под Белгородом и Харьковом. В условиях быстрого продвижения германских войск на восток следить за всеми их перемещениями на ЮЗФ оказалось невозможно. Полкам У-2 поручили ведение ближней разведки в дневное время. Самолеты шли в тыл немцев на малой высоте, укрываясь в складках местности — многочисленных балках и лощинах. Но и эти предосторожности не могли укрыть У-2 от «мессершмитов».

Надо сказать, что ночные полеты в степной местности имели свою специфику: иногда ветер сильно «вмешивался» в выполнение задания — на маршруте легкий биплан, бывало, попросту сдувало с курса. Надежных ориентиров в степи не было, экипаж не имел возможности проконтролировать снос, и тот, даже с учетом вводимых поправок, достигал порой 45 градусов. Стали отмечаться случаи потери ориентировок. Для их предотвращения при боевых вылетах решили применять систему светонаведения. Была организована трасса из светомаяков. Один прожектор устанавливался в нескольких километрах от аэродромного узла, другой — посередине маршрута, третий — на переднем крае обороны; он же имел задачу наклоном луча давать направление на цель.

Другими проблемами этого периода являлись периодический неподвоз горючего и бомб либо скудный ассортимент последних, из-за чего самолеты уходили в полет «с недогрузом». В июле-августе 1942 г. в практике 709-го нбап «нередки были случаи, когда полк вынужден был своими силами разыскивать горючее и масло для обеспечения боевых вылетов».

Из-за нехватки бомб и горючего полки У-2 в середине июля 1942 г. — напряженном периоде битвы за переправы через Дон — сидели несколько дней на земле без дела. Несомненно, их бездействие было только на руку противнику.

В самом начале «решительного штурма» Сталинграда противник начал «обрабатывать» аэродромы авиации КА. Полки У-2 понесли серьезные потери. 23 августа в ходе бомбардировки места базирования 709-го нбап было убито 6 человек летного состава, в том числе военком полка. Кроме того, артиллерийским и минометным огнем было уничтожено 19 самолетов 596-го нбап. Был спасен только один У-2 — техник Заварзин, который, как утверждают документы, до того ни разу не летал, поднял У-2 в воздух и благополучно приземлился на левом берегу Волги.

Ни блокирование аэродромов, ни проливные дожди не могли помешать работе полков 272-й нбад 8-й воздушной армии. Каждую ночь дивизия совершала от 100 до 200 самолето-вылетов.