Переделка многих частей и деталей и необходимость доводки «сырого» двигателя надолго затянули испытания вертолета.
Они закончились только в 1967 году. Недостатки машины ограничили применение Ми-2 в Советских Вооруженных Силах. Некоторые из разработанных в ОКБ М.Л. Миля модификаций остались только на бумаге. Созданная еще в 1965 году вооруженная модификация В-2В, оснащенная шестью управляемыми ракетами противотанкового комплекса «Фаланга-М» или четырьмя блоками неуправляемых реактивных снарядов С-5, поступила на испытания только в начале 70-х гг. Военные потеряли интерес к этой машине в связи с поступлением на вооружение армейского транспортно-боевого вертолета Ми-24. Не получила развития и испытывавшаяся с 1974 года модификация разведчика-корректировщика Ми-2КР с бортовым разведывательно-корректировочным комплексом «Рута». В 1972 году прошел испытания опытный вариант Ми-2, оснащенный спецподвесками.
Выявившиеся в ходе доводки В-2 изъяны заставили конструкторов ОКБ приступить к разработке проектов его модернизации сразу же после постройки первых опытных образцов. Уже в 1964 году в сборочном цехе завода №329 были изготовлены макеты двух модификаций В-2, рассчитанные на перевозку 10 пассажиров: Ми-3 – с увеличенным поперечным сечением фюзеляжа, задними грузовыми створками кабины и вынесенными наружу топливными баками в виде небольших крыльев-консолей, служивших также для крепления основных опор шасси, и В-20 – с удлиненным за счет вставки дополнительной секции фюзеляжем. К сожалению, расчеты показали, что мощности двигателей ГТД-350 недостаточно для достижения на этих машинах высоких летно-технических показателей. Поэтому в ОКБ М.Л. Миля начали рассматривать варианты замены ГТД-350 на более совершенные газотурбинные двигатели ГТД-550, ГТД-10, ГТД-3, Континентал Т65 и Турбомека «Астазу-14».
Проектом В-20 с двигателем ГТД-10А мощностью 1250 л.с. заинтересовались военные. На его основе в 1965 году был создан проект вертолета Ми-22 с взлетной массой 4300 кг, предназначавшегося для перевозки мотострелкового отделения. Он, в отличие от Ми-2, имел улучшенную аэродинамику фюзеляжа, был оснащен четырехлопастным несущим винтом, полозковым шасси и широкими боковыми сдвижными дверями. Доведенная до стадии макетных исследований разработка Ми-22 была прекращена в начале 70-х гг. в связи с созданием Ми-24, который, как предполагалось, сможет выполнять и функции летающего транспортера для пехотинцев.
