Коллектив, возглавляемый Н.Н.Поликарповым, выпустил опытный экземпляр самолета в 1927 году. Испытания показали, что по своим данным машина не отвечает предъявленным требованиям. Конструкторы подготовили другой вариант машины. В январе 1928 года новый опытный самолет У-2 (учебный-второй) был передан на испытания. Его опробовал в воздухе М.М.Громов, затем проверяли еще несколько летчиков-испытателей. И все они были восхищены новой машиной.

Конструкция самолета У-2 была деревянная из сосны и фанеры, с полотняной обшивкой, узлы — из мягкой стали, стойки коробки ерыльев первоначально — дуралюминовые каплевидные трубы, вскоре замененные стальными круглыми трубами с примотанными к ним лентой на клее деревянными обтекателями (для удешевления). Фюзеляж — с фанерной передней частью и расчалочной хвостовой, верхняя грань задней части закрывалась съемным выпуклым гарготом из 1-мм фанеры для удобства осмотра. Моторная рама первоначально была в виде кольца, штампованного из 4-мм дуралюмина. С 1931 г. она была заменена цельносварной из стальных труб по образцу моторамы самолета Ш-2, строившегося в 1930 г. на этом же заводе.

Крылья — нормальные двухлонжеронные, профиль их — ЦАГИ-541 относительной толщины 8,1%, с нижней кромкой. Лонжероны — коробчатые, нервюры — с фанерной стенкой и рейками-полками без пазов, прикрепленными к фанере одним боком на клее и гвоздях. Клей — только казеиновый. Стабилизатор — двухлонжеронный, угол его установки мог меняться на земле путем перестановки заднего вильчатого болта на гребенке лонжерона киля. Подкосы стабилизатора — стальные каплевиднык трубы с регулировкой длины. Все обода крыльев и оперения дуралюминовые.

Шасси состояло из передних и задних подкосов, пары ленточных расчалок и оси. Задние подкосы — амортизационные из телескопических труб с траверсами, на которые наматывался резиновый 13-мм шнур (по 16 м на каждый подкос). Колеса — спицевые 700х120 мм. Костыль — ясеневый, ориентирующийся и управляемый вместе с рулем направления через витые пружины. Лыжи главные — 2,200х334х264 мм, хвостовая — 500х204 мм. Проводка управления — тросовая, а на прямых участках — проволочная.

Капот двигателя, первоначально закрывающий весь картер, был в серии изменен. Весь двигатель от задней стенки картера был оставлен открытым, а капот свелся к четырем отдельным стенкам, закрепленным на петлях-гребенках по задней кромке, и стягивался тросом с пружиной и замком по передней кромке вокруг моторамы. Капот мог раскрываться и закрываться почти мгновенно, что очень облегчало обслуживание силовой установки. Зимой картер иногда закрывался упрощенным капотом. Ряд местных изменений был внесен по опыту эксплуатации (весьма большому).

Летные качества У-2 в зависимости от того, для каких целей применялся самолет и какие изменения вносились в его оборудование, колебались. Но во всех случаях самолет оставался надежным, легким и послушным в управлении. У-2 мог совершать взлет и посадку на самых малых аэродромах и даже на неподготовленных площадках. Вес пустого самолета в учебном варианте — 635-656 кг, в других — до 750 кг; взлетный — от 890 до 1100 кг, с бомбами — до 1400 кг. Скорость максимальная — от 130 до 150 км/час, крейсерская — 100-120 км/час, посадочная — 60-70 км/час, потолок — 3800 м, разбег и пробег-100-150м.

В течение многих лет самолеты У-2 были единственными машинами первоначального обучения в летных школах и аэроклубах Осоавиахима. Учебные организации оборонного Общества на этом самолете подготовили в годы войны почти 100 тысяч летчиков.

В большом количестве строился У-2 в варианте легкого ночного бомбардировщика. Он брал до 350 кг бомб и боезапас к пулемету. В период войны было сформировано несколько авиационных полков, вооруженных самолетами У-2. Они наносили бомбовые удары по переднему краю и ближним тылам противника. Один из таких полков был полностью укомплектован девушками — воспитанницами аэроклубов Осоавиахима. За три фронтовых года полк совершил почти 24 тысячи боевых вылетов.

Самолет У-2 в 1944 году после смерти конструктора был переименован в По-2 (Поликарпов-второй).

Одним из первых был разработан вариант У-2 для нужд сельского хозяйства. Его назвали У-2АП (аэро- пыл). С него производили опыление растений, подкормку посевов, аэросев, опрыскивание садов. В этом варианте переднее сиденье сдвинуто вперед на 0,25 м, бензобак перенесен в центроплан, а на месте задней кабины установлен на 200-250 кг бак для ядохимикатов, удобрений или посевного материала. Летные качества У-2АП в общем были такие же, как и учебного самолета. За 10 лет было построено 1200 таких машин. Около 900 самолетов У-2 выпущено в трехместном транспортном варианте, а всего заводы построили около 40 тыс. различных вариантов самолета У-2 (По-2). У-2 стал самым массовым легкомоторным самолетом в истории отечественной авиации и эксплуатировался более 35 лет.