Все самолеты, выпускаемые заводом № 166, шли на оснащение частей 3-й воздушной армии, действовавшей на Калининском фронте. Летчики отмечали превосходство Ту-2 над самолетами Пе-2 и Пе-3. На малых и средних высотах Ту-2 превосходил имеющиеся бомбардировщики в скорости на 100 км/ч и более, нес больше бомб (до 3000 кг). Немаловажным плюсом было и то, что Ту-2 мог свободно лететь с одним работающим двигателем.
Однако Ту-2 никогда не использовался в качестве пикирующего бомбардировщика. Позднее с самолетов сняли аэродинамические тормоза и вовсе отказались от идеи использовать его в роли пикировщика. В войну пикирующим бомбардировщиком был Пе-2, а Ту-2 стал чистым средним бомбардировщиком.
Командующий ВВС генерал А.А. Новиков написал Сталину письмо, в котором подчеркивал необходимость начать массовый выпуск бомбардировщиков Ту-2. Однако просьба генерала опоздала. К тому времени уже появился приказ, предписывающий заводу № 166 перейти к выпуску истребителей. К выпуску Ту-2 вернулись через год, когда Красная Армия начала стратегическое наступление по всем фронтам, и появилась необходимость в бомбардировщиках, способных доставлять на большие расстояния большую массу бомб.
Тем временем в Омске сформировали и отправили на фронт следующие полки.
2-й ДРАП (Дальний разведывательный авиаполк) получил четыре Ту-2, в том числе три в разведывательном варианте. Полк летал на Пе-3, которые выступали в роли скоростных разведчиков. За заслуги при выполнении особо важных заданий Верховного командования полк получил звание гвардейского и стал называться 47-й ГДРАП.
В ходе боев, вошедших в историю как ликвидация Демянского котла, пилоты 47-го ГДРАП ежедневно фотографировали укрепления противника. Для перехвата советских разведчиков немцы привлекли группу Fw 190, и полк нес тяжелые потери. В этой ситуации на фоторазведку переднего края обороны в районе Старой Руссы вылетел Ту-2, пилотированный В.Ф. Столяровым. На обратном пути самолет был перехвачен шестеркой Fw 190 и сбит. Из всего экипажа уцелеть удалось только штурману. Три оставшихся в полку Ту-2 совершали разведывательные вылеты в район аэродрома в Адрианополе. К маю 1943 года тройка Ту-2 совершила больше самолето-вылетов, чем все 29 Ту-2 132-го ОБАП вместе взятые.
В мае 1943 года 132-й ОБАП отвели в тыл. Десять Ту-2 из состава полка перевели в 47-й ГДРАП. Восемь других Ту-2 отправили ремонтироваться на завод, а оставшиеся семь распределили по фронтовым аэродромам.
Разведывательные Ту-2 доставляли много проблем немецкому командованию, которое стремилось любой ценой уничтожить опасные машины. В свою очередь, советские пилоты имели четкий приказ уничтожить самолет в случае посадки на территории противника.
Кроме разведывательных заданий экипажи Ту-2 из 47-го ГДРАП вылетали на бомбардировку районов скопления железнодорожного подвижного состава противника в Витебске, Борисове и Минске. Хорошее оборонительное вооружение позволяло Ту-2 отражать атаки немецких истребителей. В мае 1943 года экипаж В.Н. Терещенко во время налета на Минск отбил атаку четырех истребителей ВП09.
47-й ГДРАП летал на Ту-2 весь 1943 год, а потом получил Ту-2С.
В декабре 1942 года из Омска вылетел оснащенный Ту-2 12-й БАП, который потом также действовал на Калининском фронте вплоть до конца 1943 года, когда потрепанный полк отвели в тыл на пополнение.
18 Ту-2 находилось в составе 285-й БАД, сыгравшей заметную роль в битве на Курской Дуге.
В 1942/43 г.г. самолеты Ту-2 составляли всего долю процента от общего числа советских бомбардировщиков. На фронте действовало всего 63 машины из числа выпущенных заводом № 166. Эти бомбардировщики оставались в частях до начала 1944 года, когда начали поступать новые Ту-2С.
Второй этап: массовое применение Ту-2 на заключительном этапе войны
Первые серийные Ту-2 2М-82ФН весной 1944 года поступили в 47-й ГДРАП, который уже имел большой опыт эксплуатации туполевских бомбардировщиков. Главное командование Красной Армии готовило очередные наступления, и полк получил задание сфотографировать Берлин. Экипажи летали на Берлин с аэродрома, расположенного в районе Смоленска. Нужная дальность обеспечивались с помощью подвесных топливных баков. Задание удалось выполнить к 24 апреля 1944 года. Полеты над Берлином полк возобновил уже весной 1945 года. В эти дни Ту-2 столкнулись с немецкими реактивными истребителями Me 262, но «швальбе» так и не смогли сбить ни одного Ту-2.
Первое массированное применение Ту-2 имело место летом 1944 года. К этому времени бомбардировщики данного типа находились на вооружении трех полков из 334-й БАД: 12-й БАП, 132-й БАП и 454-й БАП.
12-й БАП получил первые Ту-2 в конце 1943 года, а освоение машин проводил на аэродроме Кубинка под Москвой. В конце апреля 1944 года полк был полностью укомплектован и включен в состав 334-й БАД.