Вскоре самолет подвергся некоторой модернизации: на нем были установлены более мощные моторы АШ-82ФН конструкции А. Д. Швецова с регулируемыми лобовыми шторками против переохлаждения цилиндров, устройство для обеспечения работоспособности маслосистемы при пикировании самолета, протектированные топливные баки, заполнявшиеся нейтральным газом, и осуществлены другие технические усовершенствования.
Существовал вариант Ту-2, который мог использоваться в качестве торпедоносца и постановщика мин.
Боевое применение самолета Ту-2 началось в сентябре 1942 г., когда первые три серийных самолета прибыли на Калининский фронт для войсковых испытаний. Но таких пикирующих бомбардировщиков не хватало, и их использовали в особо важных боевых операциях, а также как самолеты-разведчики.
В составе 285-й бомбардировочной авиационной дивизии полковника В. А. Сандалова уже 18 таких самолетов принимали участие в сражениях на Курской дуге. Командование ВВС имело намерение использовать пикирующие бомбардировщики при штурме укреплений на Карельском фронте в 1944 г., однако в целях сохранения секретности и внезапности применения этих самолетов на других направлениях от их применения на Карельском фронте отказались до начала Белорусской операции. В Выборгской операции самолеты Ту-2 в составе группы из 600 бомбардировщиков нанесли массированные удары по вражеским объектам и потерь не имели. Эти пикирующие бомбардировщики успешно воевали на заключительном этапе Великой Отечественной войны, участвуя в сражениях в Восточной Пруссии и Берлинской операции. В первый же день боев за Берлин 54 самолета Ту-2 корпуса генерала И. П. Скока бомбили центр города, сбросив 94 т бомб, и с каждым днем удары становились более массированными.
Пикирующие бомбардировщики Ту-2 участвовали и в боевых операциях на Дальнем Востоке при разгроме японских милитаристов.
Боевые качества самолета Ту-2 высоко ценились летчиками, а Главный маршал авиации А. А. Новиков считал его лучшим пикирующим бомбардировщиком войны.
Самолет Ту-2 состоял на вооружении наших ВВС более десятка лет после войны и до 1951 г. выпускался серийно. Всего было построено 2527 таких машин, из них около 800 самолетов принимало участие в боевых действиях Великой Отечественной войны.
В первые послевоенные годы ОКБ А. Н. Туполева вело разработку одного из последних самолетов с поршневыми двигателями. В 1947 г. был построен тяжелый бомбардировщик Ту-4. Для его производства потребовалось значительное переоборудование авиационного завода, на котором он выпускался, применение новой технологии и в какой-то мере использование материалов, мало применявшихся до того времени.
В июле 1947 г. три самолета Ту-4 были продемонстрированы на воздушном параде в Тушино, а к концу года на одном из аэродромов находилось уже 20 таких самолетов. Начались широкие летные испытания. Летом 1948 г. испытания закончились. Машина между тем уже находилась в серийном производстве и в течение долгого времени оставалась основным самолетом отечественной дальней авиации.
На базе Ту-4 был построен пассажирский лайнер Ту-70, способный транспортировать 74 человека со скоростью 500 - 600 км/ч на расстояние 5000 км.
Новым этапом в создании необходимых условий эксплуатации этого самолета явилось проектирование герметических кабин, которые в то время еще не создавались. Встал также вопрос об обеспечении пассажиров в пути горячей пищей. На довоенных пассажирских самолетах, находившихся в полете 2 - 3 ч, такой необходимости не было. В ноябре 1948 г. начались испытания пассажирского лайнера. Однако дальнейшие работы над этой машиной пришлось прекратить. Конструкторское бюро по заданию командования Военно-воздушных сил приступило к проектированию дальнего самолета с четырьмя поршневыми двигателями, который преодолевал бы расстояние 12 - 13 тыс. км без посадки. Для этой цели конструкторские бюро В. А. Добрынина и А. Д. Швецова должны были создать двигатели огромной мощности. Масса самолета превышала 100 т, размах крыла достигал 65 м, длина фюзеляжа - 34 м,
Один из испытательных полетов этой машины продолжался 27,5 ч. Однако, несмотря на достигнутые результаты, было ясно, что поршневые двигатели себя уже изжили. ВВС и промышленность выступили с предложением прекратить работы над самолетом и перейти на разработку летательных аппаратов с турбореактивными силовыми установками.