Из всех предполагавшихся вариантов перепрофилирования фронтового бомбардировщика фактически единственным, который был реализован в годы войны, стал вариант воздушного разведчика. Работу по созданию самолета, получившего позже обозначение Ту-2Р, начали еще весной 1942 года, но продвигалась она медленно – с учетом сложностей по организации производства собственно бомбардировщика, и только в октябре было окончательно уточнено техническое задание по комплектации специальным оборудованием: два фотоаппарата АФА-3с или АФА-33 при установке в бомбоотсеках дополнительных топливных баков в варианте дневного разведчика или аппарат НАФА-19 и девять бомб ФОТАБ-35 для работы ночью (в этом случае дополнительного бака не было).
Сложности, которыми сопровождался выпуск Ту-2, привели к тому, что преимущественно в разведывательные самолеты непосредственно в частях переоборудовались серийные бомбардировщики. Первый оборудованный в заводских условиях самолет покинул цех в декабре 1942 года, всего же было построено пять «заводских» разведчиков, выпущенных в различной комплектации и проходивших войсковые испытания в период с конца 1942 по середину 1944 года, по итогу чего самолет был рекомендован к серийному выпуску, но с условием выполнения ряда выдвинутых в конце 1944 года новых требований, реализованных уже после войны в самолете, получившем индекс Ту-6.
Осенью 1944 года ОКБ Туполева получило и технические требования к торпедоносцу на базе Ту-2, который должен был прийти на смену применявшимся в авиации флота Ил-4Т и ленд-лизовскому А-20 «Бостон». Самолет должен был нести две 980-кг торпеды, вместо которых могли подвешиваться бомбы или авиационные донные мины. В состав дополнительного оборудования входили также радиолокационная аппаратура, спасательная лодка и пакет с аварийной одеждой и питанием. Испытания переоборудованного в торпедоносец бомбардировщика были проведены в период с середины февраля по середину апреля 1945 года, по их итогу торпедоносец на базе Ту-2 был рекомендован к принятию на вооружение. (Позже испытания проходил и также переделанный в торпедоносец опытный дальний бомбардировщик «62-2», но эта машина слишком отличалась от серийных Ту-2.) До окончания боевых действий этот самолет поступить в войска не успел, некоторое количество торпедоносцев на базе Ту-2 – в основном переоборудованных из бомбардировщиков – несли службу в авиации флота в первые послевоенные годы.
Достаточно мощное наступательное вооружение самолета наводило и на мысль об использовании его в качестве штурмовика. Один из наиболее нестандартных вариантов реализации проекта Ту-2Ш предложили в 1944 году начальник бригады вооружения ОКБ А. Надашкевич и ведущий инженер С. Савельев. В бомбоотсеке машины закрепили платформу, на которой установили 88 пистолетов-пулеметов ППШ со штатными дисками на 71 патрон каждый. Летные испытания установка, получившая неофициальное наименование «огненный ёж», прошла уже в начале 1946 года. Оценка была неоднозначной – высокая плотность огня обеспечивала эффективное поражение живой силы при штурмовке колонн, однако при этом продолжительность залпа при непрерывном ведении огня ограничивалась всего 4–5 секундами. В итоге подобную схему признали неперспективной.
Вторым направлением стало увеличение мощности артиллерийского вооружения. Так, на одном из вариантов установили 76-мм орудие, но испытания в тире показали, что его отдача слишком велика и чревата разрушением планера, вследствие чего на летные испытания самолет не передавали.
Основные работы по созданию Ту-2Ш также осуществлялись уже в послевоенный период. В 1946 году рассматривался вариант двухместного штурмовика, на котором, помимо «штатных» 20-мм пушек ШВАК, устанавливалась бы в носовой части батарея из двух 45-мм пушек НС-45 и двух 37-мм пушек НС-37. В этом же году проходил испытания самолет, на котором была установлена бикалиберная пушка РШР-57/45 с возможностью оборудования сменными стволами калибра 57 мм или 45 мм. Ни один из этих самолетов в серии не выпускался.
Высокая скорость туполевского самолета изначально способствовала планированию создания на его базе и тяжелого истребителя. Однако в связи со всеми вышеназванными обстоятельствами реализацией этих замыслов занялись только в 1943 году. Переоборудованию в ночной истребитель подвергся серийный Ту-2, на который установили РЛС ПНБ-4 (прибор ночного боя) и дополнительные две пушки ВЯ-23 в носовой части. Испытания самолета, предварительно именовавшегося Ту-2П, продолжались до лета 1945 года, результат был признан неудовлетворительным. Уже в послевоенный период были предприняты попытки создать истребитель на базе опытного бомбардировщика «63-2», на котором заменили двигатели АМ-39ф на более мощные 2300-сильные АМ-43 и установили уже серийно выпускающуюся РЛС «Гнейс-5». 20-мм пушки ШВАК заменили на ВЯ-23 калибра 23 мм, а в носовой части установили пару 45-мм пушек НС-45. При этом самолет «63П», или Ту-1, сохранил оборонительное вооружение и оборудование для бомбометания. Рассматривался также вариант истребителя сопровождения, имеющего в составе вооружения пять пушек ВЯ-23. Но до серийного выпуска истребителя Туполева дело не дошло.