14 czerwca 1943 r. zespół konstrukcyjny Tupolewa otrzymał do dyspozycji Zakład 156 w Moskwie jako miejsce do doskonalenia konstrukcji Tu-2 i remontu już latających egzemplarzy. Dokonano daleko idących zmian w konstrukcji samolotu celem jej uproszenia, standaryzacji i przyspieszenia produkcji. Zmniejszono liczbę zbiorników paliwa do czternastu, zmodyfikowano uzbrojenie obronne oraz wyposażenie. Masa samolotu zmniejszyła się o 400 kg, a czas produkcji skrócił o ok. 3000 roboczogodzin. Od września do grudnia 1943 r. prowadzono próby zakładowe połączone z państwowymi. Produkcja seryjna Tu-2 z silnikami M-82FN rozpoczęła się jeszcze w 1943 r. w Zakładzie nr 23 w Moskwie, do końca roku wyprodukowano 25 egzemplarzy.
Pierwsze samoloty serii produkcyjnej dostarczono wiosną roku 1944. Samolot charakteryzował się doskonałymi właściwościami operacyjnymi, co zapewniały jego wysokie osiągi, odporność i wszechstronność w roli bombowca i samolotu szturmowego. Jedynymi innymi modelami, jakie na większą skalę wzięły udział w operacjach bojowych w czasie II wojny światowej, był samolot dalekiego zasięgu Tu-2D oraz samolot rozpoznania fotograficznego Tu-2R. Samoloty Tu-2 były przede wszystkim eksploatowane w lotnictwie radzieckim. Były także przedmiotem eksportu.