К началу 1940-х годов боевые самолеты, разработанные в предвоенный период ОКБ А.Н. Туполева, составляли основу парка бомбардировочной авиации, сосредоточенной на западных рубежах Советского Союза. Это несколько тысяч скоростных бомбардировщиков АНТ-40 (СБ), сотни тяжелых бомбардировщиков ТБ-3 (АНТ-6), около десятка новых тяжелых бомбардировщиков ТБ-7. 

Однако, к началу войны А.Н.Туполев и значительная часть его единомышленников – талантливых конструкторов – были репрессированы. Руководство Советского Союза принимает решение по формированию из заключенных специалистов особых конструкторских подразделений под эгидой НКВД для создания в кратчайшие сроки современной техники для переоснащения Красной Армии. Многие авиационные специалисты переводятся из тюрем и лагерей в специальные технические отделы (СТО, затем ЦКБ-29). А.Н. Туполев возглавил отдел "103" с заданием создать фронтовой пикирующий бомбардировщик для нанесения точечных ударов по кораблям ВМС Великобритании в открытом море и в местах их базирования. 

Двухдвигательный «сухопутный» вариант получил внутреннее обозначение — «изделие 58», или «самолёт 103» (по названию туполевского отдела в ОТБ НКВД — самолёт проектировался в тюремных условиях ЦКБ-29, известного также как «шарашка»). Для условий того времени, в которых находились конструктора, создание самолета шло неимоверно быстро. Эта героическая работа привела к тому, что самолеты, разработанные коллективом А.Н.Туполева, к началу войны с Германией составляли основу парка бомбардировочной авиации СССР.

К февралю 1940 года был проработан эскизный проект самолёта, в марте принято решение об опытном строительстве. Постройка самолёта началась в мае 1940 года, а в августе КБ сдало рабочие чертежи. 

Самолёт представлял собой цельнометаллический двухдвигательный высокоплан с двухкилевым оперением, крылом кессонной конструкции с закрылками и тормозными решётками. 

Уже 29 января 1941 года лётчик-испытатель Михаил Нюхтиков выполнил первый полёт, за ним следует вторая опытная машина "103У" ("59"), самолеты успешно проходят заводские испытания, показывая прекрасные для того времени летно-тактические данные. Принимается решение о выходе на серийное производство. После начала войны большая часть заключенных специалистов выпускается на свободу и переезжает в Омск, где одновременно в условиях военного времени строится серийный завод по выпуску туполевского бомбардировщика и идет доработка проектов "103" и "103У". Машина дорабатывается под новую силовую установку с двигателями воздушного охлаждения М-82 (самолет "103В", "60"). 

В кратчайшие сроки на заводе разворачивается серийный выпуск, самолет получает обозначение Ту-2. 

Первые машины попали на Калининский фронт в сентябре 1942 года, где фактически проходили летно-боевые испытания. Фронтовые летчики отзывались о Ту-2 с восторгом. Большая бомбовая нагрузка, мощное оборонительное вооружение, надежная бронезащита экипажа, простота пилотирования и общая надежность конструкции отличали самолёт в лучшую сторону от других машин того периода.

ОКБ А.Н.Туполева возвращается в Москву и упорно работает над его совершенствованием. К моменту выпуска повторной серии в конце 1943 года появляется значительно усовершенствованный самолет Ту-2С, который с 1944 года выпускается серийно, а после окончания войны продолжает пользоваться спросом в течение почти семи лет. За годы войны с 1942 по конец 1945 года было выпущено 1 216 самолетов, а всего же было произведено 2 527 машин этого типа, в нескольких вариантах и модификациях.