Особенностью традиционной двухмоторной схемы самолета со среднерасположенным крылом являлось разнесенное двухкилевое хвостовое оперение. Шасси было выполнено с хвостовым колесом, основные стойки убирались назад в мотогондолы. Первоначально планировалось, что экипаж самолета будет состоять из трех человек. Прямо за кабиной пилота начинался вместительный бомбовый отсек, занимавший почти весь фюзеляж. Над бомбовым отсеком в верхней части фюзеляжа внутри башни располагался бортстрелок. Первый самолет был оснащен моторами АМ-37 конструкции Микулина мощностью по 1 400 л.с., трехлопастные воздушные винты которых имели изменяемый шаг. Управление закрылками и тормозами колес, выпуск и уборка шасси осуществлялось при помощи гидравлики. Кабина пилота оборудовалась одинарным управлением, но при этом была предусмотрена возможность установки двойного управления. Бортовое вооружение включало две пушки по бокам фюзеляжа для курсовой стрельбы и от трех до пяти пулеметов для прикрытия задней полусферы. Бомбовая нагрузка могла достигать 4,5 т и варьировалась в зависимости от категории и характера поражаемых целей.
Несмотря на все трудности тюремного режима на 156-м заводе, постройка самолета была завершена уже 3 октября 1940 года – всего через шесть месяцев после начала программы. Разобранный самолет перевезли на Чкаловский военный аэродром, собрали, и 1 декабря Краснознаменный НИИ ВВС приступил к испытаниям.
На первом этапе проводятся наземные испытания двигателей и систем самолета. 29 января 1941 года летчик Михаил Нюхтиков впервые поднимает самолет в воздух. Продолжавшиеся до июня испытания подтвердили великолепные летно-технические характеристики самолета: на высоте 8 000 м он развивал скорость 635-640 км/час, рабочий потолок машины составлял 10 800 м, дальность полета – 2 500 км. Иными словами, новый самолет по всем показателям превосходил техническое задание, выданное ВВС. Единственная сложность состояла в том, что двигатель (как, впрочем, и сам самолет) требовал доработки, поскольку Туполев получил его от конструкторов еще до запуска в серию. Надо сказать, что качество производства еще довольно продолжительное время представляло определенную трудность для советской авиапромышленности. В это время Микулин с бригадой конструкторов больше внимания уделял работе над моторами для истребителей, потребность в которых была крайне велика.
Второй самолет получил в ВВС наименование «Самолет-103У». У Туполева и его бригады он проходил под названием АНТ-59. Вскоре после начала испытаний «Самолета-103»/АНТ-58 Туполев принимает решение внести в конструкцию второй машины ряд изменений. Увеличивается объем кабины пилота и высота фонаря. Внизу хвостовой части оборудуется еще одна башня для второго стрелка (он должен обеспечивать прикрытие задней полусферы, уязвимость которой выявилась в ходе испытаний первого самолета). Испытательные полеты начинает 18 мая 1941 года летчик Нюхтиков. Сначала самолет испытывается с моторами АМ-37, но вскоре их заменяют на радиальные АШ-82. Скорость полета падает с 610 до 530 км/час, зато АШ-82 – серийный и надежный мотор. Кроме того, «103У» получает дополнительное вооружение: на подкрыльевых пилонах подвешивается десять ракетных снарядов.
К этому времени на бывшем автозаводе в Омске уже налаживается серийное производство «Самолета- 103». Постройка на базе АНТ-58 первой серийной машины – «103В» – продолжалась с 1 августа по 13 ноября 1941 года. Самолет был оснащен радиальными моторами АШ-82 воздушного охлаждения мощностью 1 330 л.с., которые представляли собой усовершенствованный вариант двигателя М-82 конструкции Швецова. С моторами АШ-82 рабочий потолок самолета понизился до 9 000 м, а дальность полета сократилась до двух тысяч километров. Но страна испытывает острую потребность в производственных мощностях, и после выпуска всего девятнадцати самолетов распоряжением правительства Омский завод переводится на производство более необходимых фронту истребителей Як-1. В заключение отметим, что конструкторское обозначение проекта «103У» было АНТ-60.
В 1942 году Туполев строит первый АНТ-61 («Самолет-103С»). Основанный на конструкции «103В», новый самолет имеет лишь незначительные отличия, позволяющие запустить его в серию. Именно эта машина первой получает в ВВС наименование Ту-2. С 13 сентября по 28 октября 1942 года первые три серийных самолета проходят испытания и немедленно вводятся в боевой состав фронтовой бомбардировочной авиачасти Калининского фронта. Командование и летчики с энтузиазмом встречают новые машины – и решением правительства Омский завод получает задание приступить к производству Ту-2.