Серийные экземпляры, обозначенные Ил-2, в целом были похожи на модель ЦКБ-57, но имели модифицированное лобовое стекло и укороченный обтекатель задней части фонаря кабины пилота. Одноместный вариант Ил-2 быстро доказал, что он является высокоэффективным оружием. Однако потери в течение 1941-42 гг. из-за отсутствия истребителей сопровождения оказались очень велики. В феврале 1942 г. было решено вернуться к двухместному варианту Ил-2 в соответствии с первоначальной концепцией Ильюшина. У самолета Ил-2М в задней кабине под общим фонарем располагался стрелок. Два таких самолета прошли летные испытания в марте, а серийные машины появились в сентябре 1942 г. Другие изменения включали установку более мощного двигателя АМ-38Ф, замену двух 20-мм пушек ШВАК более эффективными 23-мм пушками ВЯ, а также различные аэродинамические усовершенствования. Новый вариант самолета Ил-2 Тип 3 (или Ил-2м3) впервые появился в Сталинграде в начале 1943 г. Проходивший испытания в 1942 г. самолет имел новое крыло с прямой стреловидностью (150 по передней кромке) на внешних консолях крыла.

Благодаря значительному улучшению своих летных характеристик и боевых качеств Ил-2 Тип 3 стал самым массовым вариантом самолета Ил-2. Штурмовики Ил-2 использовались со значительно большим тактическим эффектом в 1944-45 гг., после того как был тщательно продуман способ их применения и в широком масштабе обеспечена поддержка истребителей. Усиление вооружения включало кассеты, содержащие до 200 ПТАБ (противотанковых авиационных бомб), использование противосамолетного гранатомета ДАГ-10, а также установку на ограниченном количестве самолетов Ил-2 Тип 3М пары пушек НС-11 или П-37 калибра 37 мм, которые находились в обтекателях.

Самолеты Ил-2 использовались ВМС СССР для противокорабельных операций, кроме этого, разрабатывались специализированные бомбардировщики-торпедоносцы Ил-2Т. На суше этот самолет использовался при необходимости для проведения разведки и постановки дымовых завес.

На последнем году Второй мировой войны самолеты Ил-2 использовались польскими и чехословацкими подразделениями, летавшими совместно с советскими. Эти штурмовики оставались на вооружении ВВС СССР на протяжении нескольких послевоенных лет и чуть более длительное время в других странах Восточной Европы. С сентября 1941 г. по апрель 1942 г. широко испытывался экспериментальный самолет Ил-2, оснащенный звездообразным двигателем М-82, но его серийное производство начато не было. Учебно-тренировочный вариант самолета был известен под обозначениями У-Ил-2 или Ил-2У.