В середине 20-х годов возникла необходимость в создании нового самолета первоначального обучения взамен устаревших. Научно-технический комитет Управления ВВС разработал тактико-технические требования, а проектирование поручили конструкторам, ранее создавшим заменяемый теперь У-1. Новый самолет под названием У-2 представлял собой деревянный биплан с отечественным мотором воздушного охлаждения М-11 конструкции А. Д. Швецова. При разработке основное внимание Н. Н. Поликарпов уделил простоте и технологичности конструкции. Крылья, имевшие толстый 14-процентный профиль по всему размаху, сделали прямоугольной формы без каких-либо криволинейных очертаний. Верхние и нижние плоскости, а также элероны и рули высоты были взаимозаменяемыми. Это упрощало производство, эксплуатацию и ремонт машины. Однако именно увлечение технологичностью и простотой привело к тому, что самолет получился перетяжеленным и имел плохую аэродинамику. И хотя максимальная и посадочная скорости (142 км/ч и 60 км/ч) удовлетворяли предъявленным требованиям, скороподъемность оказалась неудовлетворительной — 2000 м за 29 минут. При попытках подняться выше выведенный на полный газ мотор начинал «чихать». Всего 2760 м — таким оказался потолок при испытаниях.

С учетом неудачного опыта постройки первого экземпляра в 1927 году спроектировали и выпустили второй — с тем же мотором и под тем же наименованием. В феврале 1928 года М. М. Громов совершил на нем первый полет. Это был также цельнодеревянный биплан, но со значительно лучшей аэродинамикой, более оптимальной конструкцией. Вес пустого самолета удалось снизить на 140 кг, что сразу сказалось на пилотажных характеристиках. Машина отличалась устойчивостью, легко управлялась, «прощала» грубые ошибки в пилотировании, хорошо вела себя на взлете и посадке. На государственных испытаниях в НИИ ВВС при полной нагрузке 255 кг и полетном весе 869 кг получены следующие летные данные: максимальная скорость — 156 км/ч, посадочная скорость — 65 км/ч, набор высоты 2000 м — 14 минут, потолок — 4000 м. В мае 1928 года Управление ВВС заказало промышленности первую серию в 25 экземпляров.

Вскоре У-2 стал массовым учебным самолетом в аэроклубах Осоавиахима и летных школах ВВС и ГВФ. На нем учились летному делу тысячи военных и гражданских летчиков. Все они по-доброму отзывались об У-2. Неприхотливость в эксплуатации, простота обслуживания и ремонта сделали самолет незаменимым в народном хозяйстве. Под маркой ПС-3 в трехместном варианте он стал пассажирским. Для работ на селе машину переделали в одноместную, на месте задней кабины установили бак на 250 кг химикатов, а под фюзеляжем укрепили рассеиватель рупорного типа или раздвоенный короб. Пилоты легко выполняли взлет и посадку с грунта. Это был первый советский массовый сельскохозяйственный самолет, который под обозначением У-2АП выпускался более 10 лет. Уже в годы второй пятилетки он обработал сотни тысяч гектаров. У-2АП применяли также для уничтожения саранчи в Средней Азии, борьбы с вредителями леса я Поволжье и на Северном Кавказе, аэросева. На его основе был создан ряд модификаций лимуэинного типа — за передней кабиной летчика располагалась 2—3-местная закрытая, плавно переходящая в опускающийся к килю гаргрот.

В начале 30-х годов при Наркомате здравоохранения была образована санитарная авиаслужба, которой требовался самолет, способный доставлять больных из труднодоступных районов с плохими условиями взлета и посадки. Для этих целей как раз и подошел У-2. В санитарном варианте С-1 он имел заднюю кабину с открывающейся с левого борта крышкой. В нее загружали носилки с больными, а врач располагался на сиденье рядом. Самолеты с красным крестом на борту доставляли врачей и медикаменты в тундру и тайгу, горные районы. Активно использовали У-2 в санитарных отрядах в годы Великой Отечественной войны. Они эвакуировали раненых с поля боя и из партизанских отрядов. Летчикам приходилось порой взлетать с площадки размером 150X50 м. На нижних крыльях часто закрепляли гондолы с носилками или кассеты с сидячими местами. Прижимаясь к земле, тяжело груженные машины на бреющем полете пересекали фронтовую полосу. Известен случай, когда два немецких истребителя атаковали санитарный С-2 летчицы 1-го авиаполка ГВФ Е. А. Устимчук. Прижимаясь к земле и искусно маневрируя, она сумела уйти от преследователей.

Еще в начале 30-х годов универсальность самолета привела к мысли об использовании его в качестве боевого, и в 1933 году был выпущен так называемый «вооруженный вариант». На левом переднем борту фюзеляжа установили неподвижный пулемет ПВ-1 для стрельбы через винт, а в задней кабине — турель с пулеметом ДА. Под крыльями разместили 4 бомбодержателя на 200 кг нагрузки. Полетный вес достиг 1247 кг. В феврале—марте 1933 года а НИИ ВВС были проведены испытания этого самолета. Летные характеристики за счет утяжеления немного снизились, но устойчивость и управляемость заметно не изменились. Затем построили еще 4 экземпляра, которые в июне—июле 1933 года прошли войсковые испытания в Борисоглебской летной школе. Эти самолеты были вооружены так же, как опытный экземпляр. Кроме того, на них установили фотоаппаратуру и приспособление для буксировки конуса. При полетном весе 1081 кг (без бомб) максимальная скорость достигала 130 км/ч, а потолок — 3120 м. Конечно, скороподъемность уменьшилась, длина разбега и пробега увеличились, но как и у опытного экземпляра, устойчивость и управляемость машин с вооружением практически не отличались от основного варианта, прекрасные пилотажные характеристики сохранились. Однако самолет так и не был запушен в серийное производство. К этой идее вернулись только в начале Великой Отечественной войны.

В сентябре 1941 года при обороне Одессы У-2 использовался в качестве разведчика и легкого ближнего бомбардировщика. Бомбы, которые упали на артиллерийские позиции врага, впервые сбросил с гражданского самолета летчик П. Бевз. Идею подобного использования машины поддержал Н. Н. Поликарпов. Была разработана модификация У-2ВС — легкий ночной бомбардировщик. Его оборудовали держателями на нижнем крыле для бомб калибра 50 или 100 кг (общим весом до 350 кг). Имел он и оборонительное вооружение — пулемет ШКАС или ДА на шкворневой установке в кабине наблюдателя. Серийное производство этой модификации началось в 1942 году. Противник быстро понял, какую опасность представляет для него У-2. Фашистским летчикам дали специальное указание по борьбе с самолетом, прозванным «русфанер». Охота за ним считалась для немецких пилотов не менее важной, чем воздушный бой.

В 1943 году, а затем повторно в начале 1944 года в НИИ ВВС прошел контрольные испытания эталонный экземпляр У-2ВС с новой шкворневой стрелковой установкой под пулемет ДТ с расширенными углами обстрела для действий не только по воздушным, но и наземным целям. Совершенствовалось и приборное оборудование — часто на разведывательных вариантах устанавливали радиостанцию и генератор с приводом от вала двигателя. У-2ВС внушали фашистам страх. Они неожиданно, при приглушенном моторе, появлялись над вражескими позициями и с высокой точностью сбрасывали бомбы и клеенчатые мешки с горючей смесью. Самолетами У-2ВС был вооружен ряд авиационных полков, в том числе знаменитый 46-й гвардейский Таманский женский авиационный полк ночных бомбардировщиков. На основе У-2ВС создали ночной артиллерийский корректировщик У-2НАК. Его мотор оборудовали пламегасителем и шумоглушителем. Самолет У-2ГН («голос неба») оснащали мощной громкоговорящей установкой.

После окончания войны были приняты меры по восстановлению и дальнейшему развитию авиации народнохозяйственного назначения. Производство По-2 |в 1944 году после смерти Н. Н. Поликарпова самолет получил такое обозначение) было сконцентрировано в Казани, на одном из четырех ранее выпускавших машину заводов. Бывший директор завода М. П. Семенов вспоминал: «На конвейер поставили одновременно 4 модификации. Усовершенствовали учебный и санитарный варианты, но основным оставался сельскохозяйственный, а который также переоборудовали около 200 самолетов, применявшихся на фронте». Благодаря усилению ряда узлов конструкция была упрочнена, центропланный топливный бак заменен увеличенным фюзеляжным, при этом сохранился полетный вес — 1250 кг. Возросшие ресурсы самолета и двигателя позволили успешно эксплуатировать его до начала 60-х годов, хотя серийный выпуск прекратили в 1948 году. Таким образом, запущенный в массовое производство в конце 20-х годов У-2 эксплуатировался более 30 лет. Было построено 33 000 экземпляров различных модификаций. По-2 стал первым советским самолетом широкого применения.