Z powodu wielkich strat spowodowanych atakami wrogich myśliwców władze wymusiły na Iljuszynie dodanie stanowiska tylnego strzelca, w związku z czym w lutym 1942 roku reaktywowano projekt dwumiejscowy. Wersję tę nazwano Ił-2M. Początkowo po prostu wycinano w tylnej owiewce dziurę, w której umieszczano płócienne siodełko i karabin maszynowy UBT, zamontowany na niewielkiej podpórce. Późniejsze, fabrycznie produkowane wersje, miały wydłużony przedział załogowy kadłuba ze zmodyfikowaną owiewką, która chroniła strzelca przed czynnikami atmosferycznymi. W przeciwieństwie do dobrze opancerzonego kokpitu pilota, którego pancerz miał 4-6 mm grubości, a także szybę pancerną odporną na ostrzał z karabinów maszynowych, tylny strzelec nie miał praktycznie żadnej ochrony, przez co stosunek śmierci wynosił 1:7 (na jednego pilota, siedmiu strzelców). Jedyną bronią umożliwiającą mu "przetrwanie" był wspomniany wyżej karabin. Dwumiejscowe maszyny weszły do służby we wrześniu 1942 roku. Pozostałe w linii samoloty jednomiejscowe również modyfikowano do tego standardu. Późniejszymi zmianami było zastąpienie działek kal. 20/23 mm, 37-milimetrowymi oraz zwiększenie zasięgu. Modyfikacje te spowodowały jednak spadek osiągów maszyny i pogorszenie stabilności. Problemy te szybko usunięto poprzez ulepszenia aerodynamiczne i użycie lżejszych, drewnianych paneli skrzydła. W 1943 roku w Ile-2 Typ 3 (Ił-2m3) przeprojektowano płaty, które przypominały kształtem skrzydła amerykańskiego samolotu szkolnego North American T-6 Texan. Przez zastosowanie skrzydeł z mniejszym, 15-stopniowym skosem, osiągi i właściwości lotne "Szturmowików" poprawiły się, a ich straty spadły. Ze względu na brak myśliwców podczas bitwy o Stalingrad, zmodernizowane Ił-2 sporadycznie używane były do ataków na bombowce i transportowce przeciwnika. "Szturmowiki" zanotowały także kilka zestrzeleń niemieckich samolotów myśliwskich.