В апреле 1944 года 132-й БАП, действовавший на Юго-Западном фронте, отвели в тыл на переформирование и перевооружение. В июне 1944 года полк также вошел в состав 334-й БАД.
В начале июня 1944 года в 334-й БАД было три полка, насчитывавших 87 Ту-2. Дивизию перебросили на Ленинградский фронт. Сталин первоначально противился этому плану. Он не хотел, чтобы противник узнал до начала Белорусской о том, что Красная Армия располагает целой дивизией новых бомбардировщиков. Однако командованию ВВС удалось переубедить Верховного, и он дал добро на использовании 334-й БАД на Карельском полуострове. При этом Сталин приказал командующему ВВС А. А. Новикову, чтобы тот «стерег дивизию как зеницу ока», и постоянно интересовался успехами 334-й БАД.
Накануне начала выборгской операции, 8 июня 1944 года, советская авиация совершила три массированных налета на позиции противника. А.А. Новиков докладывал: «334-я БАД потерь не понесла, полеты совершала в течение дня, поставленные задачи выполнила отлично». Например, 12-й БАП совершил до 700 самолето-вылетов в район линии Маннергейма. 17 июля 1944 года 59 бомбардировщиков Ту-2 совершили налет на железнодорожный узел в Выборге. Летчики 132-й БАП кроме бомбардировок вылетали и на разведку в район Лодейного Поля. Немецкая авиация проявляла небольшую активность, поэтому потерь в воздушных боях бомбардировщики не несли. Командующий Ленинградским фронтом даже приказал бомбардировщикам действовать днем без истребительного прикрытия. Истребители просто блокировали район деятельности бомбардировщиков. Финская авиация вообще заметной боевой силы не представляла. Соколы Сталина успешно нейтрализовали и без того малочисленные финские истребители. Пилоты «ильмавоймат» ни разу не приблизились к Ту-2 на расстояние выстрела. Те, небольшие потери, что несли полки, были вызваны исключительно огнем зенитной артиллерии. Среди немногих потерь оказался экипаж командира 2-й эскадрильи 12-го БАП А.А. Шумейко, сбитого в районе линии Маннергейма.
За успешные действия 334-я БАД получила почетное звание «Ленинградская», а многие летчики были представлены к правительственным наградам.
С началом операции «Багратион» весной 1944 года 334-я БАД была переброшена на 3-й Белорусский фронт, в составе которого действовала до середины июля. Экипажи летали очень активно, беря на борт до 3000 кг бомб, едва это позволяла делать тактическая ситуация.
В июле 334-я БАД передислоцировалась на 1-й Прибалтийский фронт, где сражалась до января 1945 года. Экипажи бомбили цели в районе Тильзита, Шяуляя, Митавы, Лиепаи и Клайпеды.
Уже в первые месяцы массированного применения Ту-2 стала очевидной высокая эффективность бомбардировщика. Но дали о себе знать и недостатки: конструктивные и эксплуатационные. Бомб большой массы часто не было на складах, а взлетно-посадочные полосы были коротковаты. Кроме того, часто приходилось летать достаточно далеко. Все это снижало эффективность самолета. Средняя бомбовая нагрузка составляла 1200 кг и лишь позднее ее удалось поднять до 1350 кг.
Во время всех вылетов Ту-2 сопровождали истребители: Як-9 и «Аэрокобра». Несмотря на прикрытие, немецким истребителям удавалось прорываться. Всего за три месяца боев немецким истребителям удалось сбить 10 и повредить 14 Ту-2. Целью немцев были прежде всего выпавшие из строя самолеты. Кроме того, немцы нащупали мертвые зоны в задней полусфере. Встал вопрос об усовершенствовании пулеметных установок.
Немецкая зенитная артиллерия за те же три месяца сбила 7 Ту-2. В среднем потери были минимальны: 1 самолет на 465 самолето-вылетов. В 1944 году советские ВВС не досчитались 77 Ту-2, в том числе 45 машин составили боевые потери, 18 потеряно вследствие аварий и катастроф, а 14 списаны, как выработавшие ресурс.
В начале 1945 года бомбардировщики Ту-2 состояли на вооружении 334-й БАД, действовавшей в составе 3-й воздушной армии на 1-м Прибалтийском фронте (111 машин), а также 326-й БАД из 4-й воздушной армии 2-го Белорусского фронта (94 машины). Кроме того, Ту-2 находились в составе 47-го ГДРАП.
279 самолетов Ту-2 составляли 9 % от общего парка бомбардировочной авиации в начале 1945 года. Это процентное соотношение сохранилось до конца войны. Как следует из приведенных цифр, Ту-2 не стал основным средним советским бомбардировщиком, каким оставался Пе-2. При этом, хотя Ту-2 проектировался как пикирующий бомбардировщик, в отличие от Пе-2, никогда в этой роли не применялся, оставаясь средним бомбардировщиком, предназначенным для бомбардировки с горизонтального полета.
В конце войны 334-я и 326-я БАД входили в состав 6-го БАК (бомбардировочного авиакорпуса) генерала И.П. Скока. Корпус бомбил цели в районе Варшавы, Олштына, Гданьска, Кенигсберга и др. Летчики 334-й ИАД особенно отличились во время бомбежек Кенигсберга. Совместно с экипажами из 18-й воздушной армии они атаковали немецкие позиции, батареи зенитной артиллерии, аэродромы и укрепления.