Даже при снизившихся по сравнению с прототипом данных бомбардировщик по своим показателям входил в число лучших в мире. Получивший в серийном выпуске наименование Ту-2 самолет имел дальность полета более 2000 км, потолок 9000 м, нес до двух (в перегрузочном варианте – до трех) тонн бомб калибра до 1000 кг. Вооружение включало в себя две 20-мм пушки ШВАК и три оборонительных пулемета ШКАС.
Серийный выпуск был начат весной 1942 года. Первые три серийные Ту-2М-82 проходили войсковые испытания – а фактически вели боевые действия – с сентября 1942 года на Калининском фронте. Самолеты получили хорошие отзывы летчиков, оценивших как высокие летные данные и хорошую управляемость, так и мощное вооружение и достаточно большую бомбовую нагрузку. Первыми боевыми частями, принявшими на вооружение новый бомбардировщик, стали 132-й отдельный бомбардировочный авиаполк и 12-й бомбардировочный авиаполк.
Использовались Ту-2 и в качестве воздушных разведчиков – так, активно применявший эти самолеты 2-й авиационный полк дальней разведки Главного командования Красной Армии был 2 февраля 1943 гоода преобразован в 47-й гвардейский авиационный полк дальней разведки Главного командования КА.
Но и тут самолет ждали сюрпризы – после постройки 80 машин серийный выпуск был остановлен, а ценой немалых усилий введенный в Омске в строй завод № 166 в январе 1943 года перепрофилирован на выпуск истребителей Яковлева.
Не желая мириться со сложившейся ситуацией, Туполев принимал все меры, чтобы убедить верхушку наркомата и руководство страны – вплоть до И.В. Сталина – в необходимости возобновления выпуска, одновременно работая над модернизацией самолета. В числе оппонентов Туполева оказался при этом и С. Ильюшин – строительство Ту-2 Туполев предлагал возобновить на авиазаводе № 23, где выпускался самолет Ил-4. В ответ Ильюшин направил письмо наркому А. Шахурину, в котором доказывал, что «нет никаких оснований заменять Ил-4 самолетом Ту-2 М-82». С.В. Ильюшин при этом, впрочем, изрядно кривил душой – применение дальнего ДБ-3Ф (Ил-4) в качестве фронтового бомбардировщика было вынужденной необходимостью первого периода войны, и, несомненно, имевший более высокую скорость и более мощное вооружение Ту-2 для этой роли подходил намного лучше.
Идти навстречу Туполеву не спешили. В апреле 1943 года ему выделили завод, но только опытный: московский завод № 156. Тут осуществляли как капитальный ремонт имевшихся Ту-2, так и опытные работы. Туполев был назначен главным конструктором завода, тут же формировался филиал оставшегося в Омске конструкторского бюро.