В декабре 1940 года было принято решение о начале серийного выпуска одноместного штурмовика, получившего наименование Ил-2.
Конструкция самолета претерпела и ряд других изменений, направленных на устранение ранее отмеченных недостатков – в том числе на улучшение обзора и продольной устойчивости в полете. Была увеличена толщина брони и установлена 12-мм задняя бронестенка. В состав вооружения были включены установки для 8 реактивных снарядов РС-82 или РС-132 и две 23-мм пушки конструкции Я.Г. Таубина[21] и М.Н. Бабурина МП-6 (первоначально вооружение состояло из четырех крыльевых пулеметов ШКАС). В серийном выпуске по причине имевшихся недостатков МП-6 штурмовик получил 20-мм пушки ШВАК, которые позже заменили на 23-мм ВЯ-23, созданную конструкторами А.А. Волковым и С.А. Ярцевым.
К началу войны в штате авиации Западных округов числилось только 18 Ил-2. К 20 июня промышленностью было выпущено 174 машины. Первый опыт боевого применения оказался крайне неутешительным – в условиях отсутствия истребительного прикрытия одноместные штурмовики несли тяжелые потери. Ситуация усугублялась тем, что летчики штурмовых авиаполков, как правило, не имели необходимой подготовки, более того – только в 1942 году была разработана «Инструкция по боевому применению штурмовой авиации». Средняя живучесть штурмовика в 1941 году составляла всего 15 вылетов, а в некоторых полках не более 3–4 вылетов, при этом при выполнении первого же боевого задания гибли до 25 % молодых летчиков. За выполнение 30 успешных боевых вылетов летчикам штурмовой авиации приказом наркома обороны № 0299 от 19 августа 1941 года присваивалось звание Героя Советского Союза[22].
В ряде строевых частей проблему отсутствия стрелка пытались решить собственными силами, в том числе просто вырезая в фюзеляже на месте топливного бака импровизированные «гнезда» для бойца, вооруженного ручным пулеметом. Упоминается даже вариант установки на штурмовик штатной турели УТК-1 от бомбардировщика ДБ-3ф с крупнокалиберным пулеметом УБТ.
Однако сам Ильюшин, который как приходится признать, достаточно болезненно относился к критике своих самолетов, даже в феврале 1942 года продолжал доказывать в письме наркому авиапромышленности Шахурину: «В отношении увеличения экипажа самолета Ил-2 до 2-х… считаем нецелесообразным и ненужным, так как при посещении частей видно, что потерь от воздушного противника Ил-2 не имеет».
В качестве зашиты от атак сзади Ильюшин предложил установить в хвостовой части два неподвижных пулемета УБ, вести огонь назад летчик должен был с помощью зеркального прицела.