Особое место в истории У-2 заняли боевые варианты. Надо сказать, что идея установить на самолет вооружение возникла задолго до войны. В 1932 г. в ОКБ Поликарпова создали первый образец У-2ВС (войсковая серия), основным назначением которого считалось сопровождение на марше наземных войск «с целью разведки впередилежащей местности». Вооружение состояло из одного синхронного пулемета ПВ-1 (боекомплект 200 патронов), заднего шкворневого ДТ и мелких 8-килограммовых бомб. Для бомбометания устанавливался прицел АП-2. В 1933 г. машина была принята на вооружение, и У-2 стал одним из первых учебно-боевых самолетов. Всего было построено 468 экземпляров таких машин.
С началом войны У-2 стали массово переделывать в легкие ночные бомбардировщики, в качестве которых неожиданно проявили себя самым лучшим образом. Такие работы проводились не только в ОКБ Поликарпова и на серийных заводах, но и в авиаремонтных мастерских, а также прямо в строевых частях. Это породило множество вариантов, за которыми в литературе закрепилось общее обозначение У-2ВС или У-2ЛНБ (легкий ночной бомбардировщик).
Первый экземпляр У-2НАК
У-2 на поплавках ЦАГИ-10 (предположительно)
По-2П на Госиспытаниях в 1944 г.
По-2ПП, доработанный инженером Мостовым
С 1942 г. боевые варианты стали строить серийно на заводах. Поначалу У-2ВС имел 4 балочных держателя Дер-6, что было недостаточно и привело к установке в строевых частях еще двух таких же держателей, позволяющих подвешивать 50- и 100-килограммовые бомбы. На отдельных экземплярах после усиления фюзеляжа, появилась возможность использовать 250-кг бомбу. Известен уникальный случай, когда после доработки, проведенной инженером К.А.Москатовым, У-2 мог поднять одну 500-кг бомбу. Кроме того, на крыле этого самолета стояли два ШКАСа. В целях стандартизации весной 1942 г. НИИ ВВС узаконил следующее вооружение: 6 держателей Дер-7 под бомбовую нагрузку до 300 кг.
В 1942-43 гг. испытывались варианты У-2 с кассетами, установленными под крылом и за кабиной штурмана, в которых размещалось большое количество мелких осколочно-фугасных и противотанковых бомб. Кроме того, на правом нижнем крыле имелся 7,62-мм пулемет LUKAC. Результаты испытаний оказались хорошими, но, судя по имеющейся информации, широкого применения противотанковые варианты не получили.
Все время серьезной оставалась проблема эффективного прицеливания при бомбометании. В качестве прицела поначалу использовались различные самодельные устройства. Иногда на правом борту устанавливались механические визиры НВ-5. Позднее специально для У-2 разработали различные прицелы, в частности, НП-4-2.
В качестве стрелкового вооружения применялась шкворневая оборонительная установка с пулеметом ДА или ШКАС, которые с 1944 г. заменили на ДТ. На некоторых попавших в строевые части машинах на правом или левом нижнем крыле устанавливался ШКАС или ПВ-1 для стрельбы вперед (боезапас 500-800 патронов). Патронные ящики располагались за сиденьем летчика. Спуск производился от специальной тяги и гашетки на ручке управления. Ограниченное количество У-2 оснащалось также восемью пусковыми установками РО-82 и РО-132 для стрельбы реактивными снарядами. Для ведения огня вперед из пулемета или РСами использовался простейший кольцевой прицел, а иногда оптический ОП-1. Применение курсового оружия на У-2 позволяло использовать самолет в качестве штурмовика.
К 1944 г. из всего многообразия сформировался стандартный У-2ВС с двигателем М-11Д. В окончательной отработке машины по результатам Госиспытаний и боевого применения активно участвовало ОКБ Поликарпова, На самолете устанавливались: пулемет ДТ с расширенными углами обстрела, что позволяло вести огонь и по наземным целям; генератор ГС-350, шумолламега-ситель ШПГ-2, авиагоризонт, Предусматривалась легкосъемная ручка управления во второй кабине. На руле высоты имелся триммер. Взлетный вес увеличился на 388 кг по сравнению с базовым У-2. Летные данные несколько снизились. С боевой нагрузкой в 300 кг максимальная скорость у земли была 134 км/ч и 100 км/ч на высоте 1000 м. Без боевой нагрузки летные данные приближались к базовому У-2.
В 1942 г. прошел испытания ВОМ-1 (У-2, воздушный огнемет), доработанный в СНИИ ГВФ. Он представлял собой У-2 с М-11Д, вооружение которого состояло из так называемых «огневых мешков», емкостью 30 л, изготовленных из бензостойкой клеенчатой ткани и заполненных вязкой огнесмесыо. «Мешки» сбрасывались с высоты 50-60 м, взрыв происходил на высоте 5-6 м, накрывая огневым дождем противника. Размещались они в двух-четырех секционных кассетах: нижней, за кабиной штурмана, и задней, в фюзеляже. Кроме «мешков», в кассетах могли размещаться гранаты, бомбы, медикаменты, продукты. Кассеты позволяли поднять 140 кг боевой нагрузки (80 кг - в задней и 60 -в нижней}. На нижнем левом полукрыле устанавливался пулемет ШКАС с боезапасом 500 патронов. Кресло летчика имело бронеспинку, весившую 44 кг. Самолет выпускался в небольших количествах в авиаремонтных мастерских Южно-Уральского военного округа.
У-2НАК (ночной артиллерийский корректировщик) был построен в 1943 п в ОКБ Поликарпова, на заводе №51t на базе У-2ВС. Целевое назначение предопределило необходимые доработки.