Tuotantovaikeuksien takia konetta ei ehditty toisen maailmansodan aikana käyttää halutussa laajuudessa. Konetyypillä varustetut yksiköt osallistuivat kesällä 1943 muun muassa Kurskin taisteluun sekä vuotta myöhemmin Karjalankannaksen valtaukseen, johon osallistui 600 Tu-2-konetta. Tu-2-koneita käytettiin lisäksi laajasti sodan päättäneissä, Berliinin valtaukseen johtaneissa taisteluissa. Koneen todellinen käyttöarvo ymmärrettiin vasta toisen maailmansodan päätyttyä, ja siitä kehitettiin sodan jälkeisinä vuosina useita versioita, jotka pysyivät neuvostoilmavoimien käytössä 1950-luvun puoleenväliin saakka. Myös useat Itä-Euroopan maat, kuten Bulgaria, Jugoslavia, Romania ja Unkari käyttivät Neuvostoliiton toimittamia Tu-2:a. Kiinan ilmavoimat käytti konetyyppiä vielä 1970-luvulla.