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  自40年代起冷戰展開,美國對蘇聯國內的情報需求甚切。空軍開始以波音RB-47偵察機闖入蘇聯領空進行高空偵照,當時蘇聯的空防仍然存在漏洞,很多邊界和領空都未有雷達覆蓋,美軍就利用這些空隙進入蘇聯領空進行偵察。到1950年蘇聯的防空政策有非常重大的轉變,開始攻擊一些飛近國界或入侵領空的外國飛機。隨著朝鮮戰爭於1950年6月爆發,蘇聯的「嚴格防空政策」(severe air defence policy)更延伸到遠東地區。1952年8月,蘇聯戰機闖入日本北海道領空擊落1架美國空軍RB-29偵察機,於蘇聯領空進行高空偵照變得愈來愈危險。  因此,美國空軍開始尋求一種飛行高度70,000英尺或以上的亞音速高空偵察機,藉高飛行高度來逃避蘇方戰機攔截,當時最先進的蘇聯戰機—米格-17飛行高度為45,000英尺。1953年7月,空軍要求格倫·L·馬丁公司研究將B-57堪培拉式轟炸機改良成一種超高空偵察機的可行性,也與貝爾飛機公司和費柴爾德公司簽訂研究合約,認為這些小公司能較快完成研發和生產。到1954年1月,3家公司均各自提出了自己的設計。費柴爾德公司提出了M-195設計,單發動機,飛行高度67,200英尺;貝爾飛機公司則提出了67型(後來的X-16)設計,雙發動機,飛行高度69,500英尺。而格倫·L·馬丁公司則為B-57加裝了一對大機翼,使飛行高度能達到64,000英尺。  未有與空軍簽訂研究合約的洛克希德公司在得知空軍計劃後,於1954年3月開始由凱利·詹森向空軍將領和文官多次展示飛行高度超過70,000英尺,航程2,000英里的CL-282設計。部分文官對CL-282非常有興趣,但將領們卻相反。一位將領更於展示途中離場,並說對這種沒有起落架和槍炮的飛機毫無興趣。  1954年6月1日,洛克希德的設計正式被空軍以單發動機和太怪異為由否決。空軍選定貝爾飛機公司的X-16和改裝現有的B-57成為高空偵察機。並於9月與貝爾飛機公司簽訂建造28架X-16的合約。  1954年7月26日,隨著蘇聯威脅越來越大,總統艾森豪授權詹姆士·克林(James Rhyne Killian)成立和領導一個智囊團去研究國家現有的技術能否面對當前的問題。智囊團分為三組,其中一組負責調查美國的情報能力,名為「Project 3」。「Project 3」由埃德溫·蘭德(Edwin H. Land)領導,還有另外5位成員。同年8月,蘭德到華盛頓與一些國內情報機構會面時,從一位中情局官員手中接到一份CL-282設計圖,並告訴他空軍已經否決了這個設計,蘭德看過設計圖後留下了深刻印象。幾天後,他向「Project 3」其他成員展示這份設計圖,所有成員都對這架飛機非常有興趣,並認為中情局較空軍適合於和平時期對蘇聯進行高空偵照。「Project 3」成員於10月向當時中情局局長艾倫·杜勒斯討論CL-282的概念,但道勒斯並不希望中情局接手任何空軍的計劃,即使已經被空軍否決的也一樣。1954年11月初,克林和蘭德與艾森豪總統會面,向他解說CL-282的設計和討論有關高空偵察機的問題。最後,艾森豪總統批准發展CL-282,並同意新高空偵察機計劃應該由中情局負責。  1954年11月23日,艾森豪總統正式批准中情局接手CL-282,並要空軍提供一切必要的協助。12月22日,中情局與洛克希德公司簽訂意向書,建造20架CL-282機體和1架雙座型及其他零件,由空軍提供發動機。正式合約於1955年3月2日簽訂,而X-16計劃則於U-2首飛後終止,未有造出實機。

  由於CL-282設計作偵察之用,因此官方名稱代號並未有使用B-(轟炸機)或F-(戰鬥機),但它屬高度機密,所以又不能使用偵察機代號。為了隱藏其真實用途,美國空軍於1955年7月選擇了U-(utility,多用途)這個代號,自此CL-282就訂名為U-2。  由於屬高度機密,凱利把設計辦公室遷移到位於加州伯班克的臭鼬工廠內,並把工程人員安排在離U-2生產線50英尺內的地方工作,以方便工程人員在生產出現問題時能迅速修正。  凱利以F-104星式戰鬥機為藍本,把那對低展弦比的機翼換成一對類似滑翔機的超修長機翼,高展弦比的機翼令U-2有著跟滑翔機相似的飛行特性。其獨特的著陸特性和極高的飛行高度,令駕駛U-2的挑戰性非常大。為了保持70,000英尺的飛行高度,U-2A和U-2C必須以最高速度飛行。然而,70,000英尺高空上U-2的失速速度與最高速度只相差5節(每小時9公里)。近九成任務中,U-2飛行員都要把速度保持於那5節之內,飛行高度常常因此而下跌,導致被敵方發現,抑或轉彎不順會造成一邊翼端超速而另一端失速,形成失控甚至解體。中華民國空軍黑貓中隊飛行員回憶:30度之內轉彎都沒問題,但開始轉彎之時機極為重要,轉早了導彈會跟著轉,晚了又躲不開。  為了減輕重量,U-2在製造上採用了很多滑翔機技術,機翼和垂直尾翼只以扭力螺栓(Tension Bolt)安裝於機身,機翼亦未有像傳統飛機一樣穿過機身以增加強度,內部則載有U-2大部分燃油。 而每邊機翼下都裝有1個鈦金屬製的滑橇以在著陸時保護機翼。  另一個外觀特徵就是其起落架,與其他飛機的典型三點式設計(機鼻1個,機翼下2個)不同,U-2的「腳踏車式」起落架只有2個,主翼下方1個,發動機尾下方裝有另1個可轉向起落架。為了於滑行時保持平衡,翼下裝有一對名為「pogos」的拋棄式輔助輪。「pogos」會於U-2起飛時掉落,並由地勤人員回收再用。  U-2原型機設計配備1具重3,820磅,提供13,000磅推力的普惠J57/P31發動機,但由於當時RB-57D都是配備這種發動機,J57/P31的生產數量未能完全供應兩種機種使用。因此,U-2原型機只配備一具較J57/P31重276磅,只能產生10,200磅推力的J57/P31。

  U-2被公認為空軍中最具挑戰性的機種,對飛行員的技術要求甚高。其修長的機翼令U-2有跟滑翔機相似的飛行特性,對側風極之敏感,並傾向於跑道上飄浮,使得著陸非常困難。  第2飛行員通常會被指定為任務的後備飛行員和機動員(mobile officer),機動員會坐在1輛高效能追逐車(high-performance chase car)內,並於跑道頭等待。著陸的U-2飛越後,追逐車會以高速跟隨並由車上的機動員透過無線電向飛行員喊出高度。當主起落架與地面相距2英尺時,飛行員會展開翼上的擾流板以降低升力。著陸後,減速板會於機翼後的機身展開來減慢飛機速度,並以一邊翼尖觸地。  U-2停下後,在附近待命的地勤人員會為U-2裝上「pogos」輔助輪。地勤人員會先將「pogos」安裝於較「輕」(未有觸地)的一邊機翼,然後由兩名地勤人員以自身重量把安裝了「pogos」一邊機翼拉下,並由第3位地勤人員於另一邊機翼安裝「pogos」。完成之後,U-2會以自力滑行到停機坪。

  由於要在高高度執行任務,而且U-2駕駛艙只保持大概29,500英尺的氣壓,飛行員必須穿著一種類似宇航服的壓力衣(由大衛克拉克公司製造)以保護飛行員于飛行和彈射時免受以下的危機威脅。但穿著以塑膠物料製造而又密封壓力衣並不舒適,飛行員于飛行途中所產生的熱力未能排出,使飛行員時常汗流浹背。在1次8小時的任務中,飛行員體重會下降左右。

  壓力衣于飛行和彈射時為飛行員提供100%純氧,在沒有供氧的情況下,飛行員會出現視界狹窄、暈眩、反應緩慢等症狀,並於30-60秒內失去意識。

  飛行員會於飛行前1小時前開始呼吸100%純氧,以排出體內的氮,減低減壓症出現的機會。

  於70,000英尺高空,溫度只有零下70°C,壓力衣於彈射和駕駛艙暖氣失效時防止飛行員出現體溫過低(hypothermia)、凍傷和眼球結冰。

  當高度超過的阿姆斯特朗界線時,水的沸點因低壓而降低至37°C,在沒有壓力衣的保護下,飛行員於彈射和駕駛艙失壓時體內的水分會因體溫而蒸發,損害肌肉組織和堵塞血液執行。

  1963年起,中情局開始名為「鯨魚傳說」(Project Whale Tale)的計劃,試驗於航空母艦上操作U-2,以克服U-2的航程限制。貌似滑翔機的U-2能在飛行甲板直接起飛,而不需要彈射器的協助。而非常低的降落速度亦令著艦變得容易,即使未能勾上攔截索,發動機亦能提供足夠動力讓U-2重飛。  首次試驗於1963年8月5日進行,洛歇試飛員成功自小鷹號的甲板起飛。但飛機於著艦時出現彈跳的情況,只能於甲板末勉強重飛。經這次失敗後,美國海軍把3架U-2A改裝,加固起落架、加裝捕捉鉤(arresting hook)及於機翼上裝設擾流板(spoiler),並更改型號為U-2G。1964年3月2日,U-2G成功於遊騎兵號上起飛和著艦。及後幾天,洛歇試飛員和中情局飛行員都曾進行多次試飛。  試飛成功後,中情局於1964年5月派遣U-2G執行第一個任務,也很可能是唯一一次任務,監測法國於穆魯羅亞環礁進行的核試。  1969年11月,更大的U-2R亦成功於美利堅號上試飛。但由於航空母艦需要大量艦隻護航,隱蹤性差而且操作費用高昂,因此U-2航母操作計劃於1969年終止。

  U-2共建造86架左右,初期折損率非常高,自1957年美國空軍開始使用U-2後1年半內就損失了9架,截至2001年有40架嚴重損壞或全毀,曾多次於蘇聯(1次)、古巴(1次)及中國大陸(5次)上空被擊落。其中一些U-2更是自損毀的飛機中取得零件建造。

  從1956年到1960年對蘇聯領空實施了50次偵察,曾先後出現在基輔、莫斯科、明斯克、克里米亞、遠東和中亞等地上空。蘇聯於1956年首次出動米格-17戰機無功而返後,蘇聯領導人還不相信這一事實,並召集航空專家詢問。專家回答稱,世界上還沒有能夠飛到兩萬米以上高空的飛機,因此指責飛行員謊報軍情。此笑話前提是飛行員在廣闊的蘇聯領空中正巧飛到U-2下方,飛行員正巧抬頭仰望發現了上方空域一萬米的U-2,事實上56年各國機載雷達尚十分原始,米格17也僅有少量配備了雷達,蘇聯飛機對U-2的攔截全部是地面遠端雷達發現U-2定位測高後,指引附近的蘇聯飛行員駕機前往攔截,蘇聯領導人無論相不相信這一事實會去問空軍指揮部而不是飛行員。直到1959年底,蘇聯防空軍才裝備S-75新型防空導彈,之後又裝備了飛行高度可達兩萬米的SU-9飛機,從而結束了西方高空偵察機在蘇聯領空暢行無阻的歷史。

  1960年5月1日,一架U-2於葉卡捷琳堡附近被SA-2防空導彈擊落,飛行員弗朗西斯·加里·鮑爾斯成功彈射逃生後被俘,1962年2月10日獲釋。  鮑爾斯座機於20000米的高度上被SA-2近爆擊傷,按規定程式應該關閉引擎,開啟延時自爆開關,然後彈射逃生,並配有一枚藏有毒針的特製1美元硬幣,以備在無法逃脫時自殺,避免被俘。但鮑爾斯並未開啟自毀裝置,也未彈射,而是等飛機降至約10000米後自己爬出座艙跳傘。因U-2深入蘇聯領空的偵查任務必須由總統批准,時任美國總統德懷特·大衛·艾森豪威爾得知U-2被擊落後大為震怒,說“他們跟我說這是架俄國人的雷達探測不到的飛機”,隨後在認為偵查裝置已自毀鮑爾斯已身亡的情況下釋放假資訊,宣告這是NASA的一架氣象機,並拉NASA出來做證。1960年5月7日,時任蘇聯共產黨中央委員會第一書記的尼基塔·謝爾蓋耶維奇·赫魯曉夫發表了一個驚人言論:“ 我一定要告訴你們一個祕密。我在第一次報告時刻意沒有說那駕駛員仍然生還,嗯......現在看看美國人說了多少的蠢話。”。不單只是鮑爾斯生還,飛機殘骸也基本上十分完好。蘇聯軍方更成功尋回偵照的照相機,並將加利·鮑爾斯所攝的底片衝洗出來。隨著這些東西能證明該架飛機的確為偵查機的事證曝光,導致以德懷特·艾森豪為首的美國政府蒙受屈辱,而也使協助「隱瞞」的太空總署的官員尷尬。而鮑爾斯的求生包也被尋回,其中包括一些女性首飾和價值7,500盧布的各國貨幣甚至有10枚拿破崙金幣。鮑爾斯攜帶的藏有毒針的硬幣也被識破。  1962年2月10日,鮑爾斯與克格勃上校維利亞姆·費舍爾(又名魯道夫·阿貝爾)交換後返美。

  所有於中華人民共和國被擊落的U-2都隸屬中華民國黑貓中隊。

  1962年10月27日,一架隸屬第4080戰略偵察聯隊(4080th Strategic Reconnaissance Wing)的U-2於古巴上空被SA-2防空導彈擊落,飛行員魯道夫·安德森少校身亡。

  2003年1月26日,一架U-2於韓國烏山空軍基地附近墜毀,傷及地面3名韓國民眾,該機全毀並對周圍造成嚴重破壞。飛行員彈射逃生受輕傷。事件調查報告指發動機出現問題及天氣惡劣導致意外。  2005年6月21日22時30分(UT)一架U-2自阿富汗執行任務後於回航途中墜毀。 於事故中殉職的飛行員隸屬基地位於阿布扎比宰夫拉空軍基地的第380空中遠征聯隊。空軍調查認為飛機於夜間接近基地預備著陸時墜毀,當時飛機出現機械故障導致液壓、主儀表顯示器和內部照明失靈。令飛行員誤認為發動機失效,飛機一直下降直至墜毀。

  U-2R於1967年首飛,比原型機尺寸更大、功能更多。TR-1A則是一種戰術偵察型,於1981年8月首飛,設計用於歐洲進行遠距離外戰術偵察(standoff tactical reconnaissance),機體結構與U-2R相同。這兩個型號與其他U-2最大分別是兩邊機翼下分別裝有一個用於裝載儀器的"超級吊艙"(Superpod)。駐紮於英國埃爾肯布利皇家空軍基地的第17偵察聯隊曾於1983年到1991年間使用TR-1A。最後一架TR-1於1989年10月交付美國空軍。1992年所有TR-1都更改型號為U-2R。而TR-1的雙座教練機TR-1B則更改型號為TU-2R。更新GE F118-101發動機的U-2R就更改型號為U-2S。  另一個衍生型ER-2(Earth Resources,地球資源)由美國太空總署使用,進行高空民用研究,包括地球資源、天文觀測、大氣化學與大氣動力學和海洋動力學。

  現存的U-2均隸屬加州畢爾空軍基地(Beale Air Force Base)的第9偵察聯隊(9th Reconnaissance Wing),飛行員亦於畢爾空軍基地接受訓練。截至2005年共有29架單座和5架雙座U-2在役。另外還有2架以德萊頓飛行研究中心(Dryden Flight Research Center)為基地的ER-2。

  2006年1月,美國國防部長拉姆斯菲爾德宣佈U-2機隊將於未來陸續退役。為了減少國防支出和重整空軍架構,E-4B機隊和部分B-52亦會退役。國防部長拉姆斯菲爾德表示這些變動不會影響空軍的偵察任務,U-2的角色會由衛星和全球鷹無人偵察載具所取代。但是國會已經要求延後U-2S的退役時間,因為至今仍然未有一種系統能完全取代U-2,雖然全球鷹和無人技術不斷髮展,在資源和技術上卻很明顯都未能完全替代U-2價值。  2011年3月,美國政府計劃將32架的U-2s延役至2015年,而奧巴馬政府則試圖執行一項九千一百萬美金的預算案,以維持U-2s機隊的服役。(Brook, Tom Vanden)  2011年6月29日,美國一架U-2S偵察機在中國大陸北方附近外海3萬米的高度飛行,中國兩架蘇-27戰鬥機立即升空攔截,U-2S偵察機發覺後立刻返航。  2016年11月25日,CNN報道中表示U-2正在中東執行對ISIS偵察任務。  2017年8月20日,因應朝鮮半島局勢,U-2從韓國的烏山空軍基地起飛,進行對北韓的偵察任務。隔年傳出少量U2將進行人工智慧化升級,針對地圖判讀方面。

  U-2和SR-71偵察機剛出廠時因為是高機密產品,除了美國國防部、製造廠商、設計團隊和操作員等相關人士之外,連美國北美空軍司令部除了部分高階將領以降的軍士官皆不知情,遑論是國民兵和一般普羅大眾,於是就在其測試基地洛克威爾鎮附近冒出了一堆讓當事人和美國白宮哭笑不得的都市傳說。其中,最著名的「洛克威爾事件」就是其中最知名的一個。因為U-2和SR-71都是高空偵察機,為了避開平民耳目經常利用深夜、凌晨和清晨人煙較稀少的時間進行起飛、降落和訓練,於是有較晚歸的民眾常見到洛克威爾的上空出現不明的發光體在高空中飛嘯而過,以為是幽浮、飛碟和外星人光臨地球,然後在大眾媒體以訛傳訛之下,造成了「洛克威爾事件」。不過據中華民國空軍黑貓中隊退役飛官在近日解謎,這不明的發光體其實是U-2和SR-71等高空偵察機的機燈,不是什麼幽浮和外星人。
洛克希德U-2,外號蛟龍夫人(Dragon Lady),是美國空軍一種單座單發動機的高空偵察機。能不分晝夜於70,000英尺(21,336米)高空執行全天候偵察任務。在和平時期、危機、小規模衝突和戰爭中為決策者提供重要情報。此機亦用於電子感應器研發、確認衛星資料和校準。