ВИТ-1 в основном закончили постройкой в середине осени 1937 г., первый вылет под управлением летчика В.П.Чкалова состоялся 31 октября. 16 ноября при проведении третьего испытательного полета в передней штурманской кабине в воздух поднимался Николай Поликарпов. Позднее в испытаниях ВИТ-1 приняли участие летчики НИИ ВВС Г.Ф.Байдуков и М.М.Громов. Основным и наиболее важным элементом этих испытаний считалась отработка пушек К-37, которая велась в основном на полигоне под Ногинском вплоть до 1939 г. Следует отметить, что ВИТ-1 изначально оценивался как опытный самолет, предназначенный для отработки конструкции и технологии производства. Еще до совершения его первого полета в разработку пошел второй, более совершенный образец, основным внешним отличием которого стало двухкилевое вертикальное оперение. 29 июня 1937 г. Поликарпов подписал законченный эскизный проект самолета ВИТ-2, которому предстояло стать воплощением всех идей конструктора. В пояснительной записке к эскизному проекту ВИТ-2 перечислялись его возможные варианты использования:
1. Средний скоростной бомбардировщик с подвеской внутри фюзеляжа 800 кг бомб.
2. Пикирующий вариант бомбардировщика с 900 кг бомб на внешней подвеске.
3. Штурмовик с вооружением, состоящим из 6 пушек, 2 пулеметов, 300 кг бомб.
4. Дальний разведчик с мощным наступательным и оборонительным вооружением (4 ШВАК).
5. Истребитель крупных наземных и воздушных целей (2 К-37, 2 ШВАК).
6. Самолет сопровождения тяжелых бомбардировщиков.
ВИТ-2 предполагалось широко использовать в различных перегрузочных вариантах, в том числе в варианте поплавкового торпедоносца. Запас прочности конструкции, равный 12, позволял выполнять все фигуры высшего пилотажа и сбрасывать бомбы при отвесном пикировании.
Общий вид центральной части фюзеляжа ВИТ-2.
Оборона задней полусферы 20-мм пушкой ШВАК была выбрана Поликарповым после тщательных исследований, консультаций и в соответствии со здравым смыслом. Он полагал, что если ВИТ-2 будет атакован истребителями с пушечным вооружением, то огонь будет вестись на дальних дистанциях и пулеметной турели здесь делать нечего. Данное обстоятельство со всей очевидностью проявилось в ходе Великой Отечественной войны, когда советские бомбардировщики, вооруженные пулеметами ШКАС, не могли зачастую поразить немецкие истребители, ведущие огонь со значительных расстояний. Ограниченные углы обстрела кормовой установки ВИТ-2 также имели свое объяснение, так как предполагалось, что атакующие истребители если и будут иметь преимущество в скорости, то незначительное, и их атаки будут происходить на догоне, на малых курсовых углах. Люковые установки для обстрела нижней полусферы, по мнению Поликарпова, были малоэффективны и даже бесполезны, ибо один стрелок не мог полноценно управлять сразу двумя пушками или пулеметами. Вводить дополнительного стрелка на таком плотно скомпонованном самолете представлялось затруднительным.
С указанными рассуждениями конструктора не соглашались представители ВВС, и впоследствии в КБ пришлось разработать специальную подфюзеляжную, дистанционно управляемую башню со спаркой пулеметов ШКАС. Вообще по части вооружения ВИТ-2 имелось много разногласий, особенно в связи с установкой пушек ШВАК для обороны передней и задней полусферы самолета. В результате первый опытный ВИТ-2 решили строить с вооружением, предложенным Поликарповым, а уже на втором опытном образце всю оборону заменить на пулеметы ШКАС.
Общий вид ВИТ-2 во время испытаний в 1938 г.
Изначально ВИТ-2 предполагалось оснастить двигателями М-105, с ними реально можно было получить максимальную скорость 550 км/ч. Однако двигатели долго доводились моторным заводом № 26 в Рыбинске, поэтому для проведения испытаний установили освоенные промышленностью М-103.
Хотя к изготовлению ВИТ-2 приступили сразу после начала испытаний ВИТ-1, полноценное развертывание работ сковывалось тем, что на авиазаводе № 84 велось освоение американского ДС-3 - все лучшие силы отдавались на этот самолет. Тем не менее весной 1938 г. изготовление ВИТ-2 завершилось. С 16 мая 1938 г. на самолете начал летать Борис Кудрин, который провел предварительные испытания, в основном с положительной оценкой. Особенно нравилось поведение самолета на посадке - он классически садился на три точки. Высоко оценивалась управляемость в воздухе, ВИТ устойчиво выполнял глубокие виражи. К недостаткам машины относили вибрации хвостового оперения при выпущенных закрылках и различные мелочи конструктивного характера.