Именно во время обороны Одессы У-2 начали использовать в качестве бомбардировщиков. Инициатором боевого применения У-2 стал летчик мл. л-т П.С.Бевз, а техники под руководством инженера отряда Дорофеева переоборудовали самолеты. Как правило, вылеты на бомбежку совершались в ночное время, однако случалось и днем, что было особенно опасно из-за риска встречи с вражескими истребителями, В таком случае летчику не имевшего оборонительного вооружения У-2 оставалось уповать только на свое мастерство. Надо сказать, что пилоты ГВФ виртуозно владели своими тихоходными бипланами. Тот же Бевз дважды уходил от истребителей, причем в одном случае он 20 минут маневрировал на малой высоте, скрываясь от атак неприятеля среди оврагов, пригородных садов и домов. Храбрый летчик был сбит зенитками и погиб во время ночного вылета 13 сентября.
Среди пионеров бомбометания с У-2 были также пилоты 5-го отряда Киевской АГОН. Для освоения теории бомбометания и приобретения соответствующих навыков в подразделение были направлены военные специалисты. В декабре 1941 г. было совершено 10 боевых вылетов в полосе обороны 40-й армии. Боезапас укладывался прямо в задней кабине на полу и сбрасывался вручную авиатехником. Затем самолеты оборудовали держателями для бомб калибром 50-100 кг и спецконтейнерами для мелких авиабомб (т.н. «ведра Ониско»), Это позволяло увеличить боевую нагрузку и точность бомбометания, а также отказаться от необходимости брать в полет техника: летчик уже справлялся сам. Кроме того, самолеты оснастили установками РО-82 для стрельбы «эрэсами».
Вскоре 5-й отряд был переброшен под Елец для поддержки наступления группы генерал-лейтенанта Костенко. В ходе боев на новом участке замкоман-дира отряда Тараненко «эрэсами» уничтожил два артрасчета, а летчик Винар-ский разбомбил железнодорожный эшелон. Поддерживая наступление 199-й стрелковой дивизии на хутор Ниеловка, У-2 отряда в ходе ночного налета уничтожили дзоты противника, а также обнаружили и подавили неприятельские артба-тареи. В общей сложности за несколько месяцев боев 5-й отряд сбросил на германские войска более 9500 различных боеприпасов. При этом были уничтожены: 74 автомашины, танк, 2 автоцистерны, б артиллерийских и минометных батарей, 29 ЗПУ, 8 различных складов, штаб, три железнодорожные станции и более 250 зданий.
На Западном фронте в ходе битвы под Москвой У-2-бомбардировщики начали применяться едва ли не вслед за одесситами. Самолеты поступали в строевые части из авиашкол, аэроклубов, ГВФ. Уже 6 октября эскадрилья Егорьевской авиашколы бомбила немцев, ворвавшихся на улицы Юхноваю. Чуть позднее У-2 стали применять 31-я САД, 1-й ночной БАП, 615-й ночной ближнебомбардировочный АП и др. части и соединения. Как правило, машины перед отправкой на фронт оснащали четырьмя подкрыльевыми балками для 25-кг бомб. Однако в боевых частях У-2 проходили различные доработки для усиления их ударного потенциала. Так, в 31-й дивизии для подвески на поликар-повский биплан были приспособлены бомбокассеты от Ил-2.
