С самого начала Великой Отечественной для расширения возможностей санитарных У-2 на них стали устанавливать специальные кассеты. В июне 1941 г. под руководством Г.И.Бакшаева был создан У-2СКБ (С-2 с кассетами Бакшаева). При этом с каждой стороны фюзеляжа на нижнем крыле самолета С-2 установили съемные кассеты массой по 17 кг. Каждая из них крепилась к лонжеронам с помощью 4 хомутов, имела деревянный каркас, обтянутый полотном, в ее задней части находился люк, через который устанавливались носилки. После такой модернизации на самолете можно было перевозить трех лежачих и одного сидячего раненого. В ходе войны использовалось несколько вариантов кассет Бакшаева, отличавшихся конструкцией и формой, которые устанавливались на различных модификациях У-2.
На У-2 также применялись кассеты А.Я.Щербакова, которые устанавливались под нижним крылом. В каждой из них, сидя спиной к спине, размещались два человека. Оснащенные такими устройствами санитарные У-2 могли перевозить до 6 раненых. Кроме того, кассеты Щербакова использовались для перевозки десантников и грузов.
Выпускаемый после войны По-2С представлял собой С-2 со всеми изменениями и улучшениями, внедренными к тому времени в конструкцию самолета. Под обозначением S-13 машина выпускалась в Польше. На этих машинах двигатель иногда закрывался кольцом Тауненда.
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.