In den Jahren unmittelbar nach dem Zweiten Weltkrieg stützte sich das US-Militär auf eine Vielzahl umgebauter Bomber und ähnlicher Flugzeuge, um strategische Erkundungen zu sammeln. Mit dem Aufstieg des Kalten Krieges wurde erkannt, dass diese Flugzeuge extrem anfällig für sowjetische Luftverteidigungsgüter waren und daher für die Bestimmung der Absichten des Warschauer Pakts von begrenztem Nutzen wären. Infolgedessen wurde festgestellt, dass ein Flugzeug mit einer Flughöhe von 70.000 Fuß erforderlich war, da vorhandene sowjetische Jäger und Boden-Luft-Raketen diese Höhe nicht erreichen konnten.
Unter dem Codenamen "Aquatone" erteilten die US-Luftstreitkräfte Bell Aircraft, Fairchild und Martin Aircraft Aufträge zur Entwicklung eines neuen Aufklärungsflugzeugs, das ihren Anforderungen gerecht wird. Als Lockheed davon erfuhr, wandte er sich an den Staringenieur Clarence "Kelly" Johnson und bat sein Team, ein eigenes Design zu entwerfen. Johnsons Team arbeitete in ihrer eigenen Einheit, die als "Skunk Works" bekannt ist, und produzierte ein Design, das als CL-282 bekannt ist. Dies heiratete im Wesentlichen den Rumpf eines früheren Entwurfs, der F-104 Starfighter, mit einem großen Satz von Segelflugzeug-ähnlichen Flügeln.
Johnsons Entwurf, der den CL-282 der USAF vorstellte, wurde abgelehnt. Trotz dieses anfänglichen Scheiterns erhielt das Design bald eine Wiedergutmachung von Präsident Dwight D. Eisenhowers Technological Capabilities Panel. Dieses Komitee wurde von James Killian vom Massachusetts Institute of Technology und unter Einbeziehung von Edwin Land von Polaroid beaufsichtigt und mit der Erforschung neuer Geheimdienstwaffen beauftragt, um die USA vor Angriffen zu schützen. Während sie anfänglich zu dem Schluss kamen, dass Satelliten der ideale Ansatz zum Sammeln von Informationen sind, war die erforderliche Technologie noch einige Jahre entfernt.
Infolgedessen entschieden sie, dass für die nahe Zukunft ein neues Spionageflugzeug benötigt wurde. Mit Hilfe von Robert Amory von der Central Intelligence Agency besuchten sie Lockheed, um den Entwurf eines solchen Flugzeugs zu besprechen. Bei einem Treffen mit Johnson wurde ihnen mitgeteilt, dass ein solches Design bereits existiere und von der USAF abgelehnt worden sei. Angezeigt wurde die CL-282, die Gruppe war beeindruckt und empfahl CIA-Chef Allen Dulles, die Agentur solle das Flugzeug finanzieren. Nach Rücksprache mit Eisenhower wurde das Projekt vorangebracht und Lockheed erhielt einen Vertrag über 22,5 Mio. USD für das Flugzeug.
Im weiteren Verlauf des Projekts wurde das Design in U-2 umbenannt, wobei das "U" für den bewusst vagen "Nutzen" steht. Angetrieben von dem Pratt & Whitney J57-Turbojet-Triebwerk wurde der U-2 für Höhenflüge mit großer Reichweite entwickelt. Infolgedessen wurde die Flugzeugzelle so konstruiert, dass sie extrem leicht ist. Dies, zusammen mit seinen gleiterähnlichen Eigenschaften, macht das U-2 zu einem schwer zu fliegenden Flugzeug mit einer im Verhältnis zu seiner Höchstgeschwindigkeit hohen Stallgeschwindigkeit. Aufgrund dieser Probleme ist die Landung der U-2 schwierig und erfordert die Verfolgung eines Autos mit einem anderen U-2-Piloten, um das Flugzeug leiser zu machen.
Um Gewicht zu sparen, hat Johnson den U-2 ursprünglich so konstruiert, dass er von einem Dolly abhebt und auf einer Kufe landet. Dieser Ansatz wurde später zugunsten eines Fahrwerks in einer Fahrradkonfiguration mit Rädern, die sich hinter dem Cockpit und dem Motor befanden, fallengelassen. Um das Gleichgewicht während des Starts zu halten, sind Hilfsräder, sogenannte Pogos, unter jedem Flügel installiert. Diese fallen weg, wenn das Flugzeug die Landebahn verlässt. Aufgrund der Einsatzhöhe des U-2 tragen die Piloten einen Raumanzug, um ein angemessenes Sauerstoff- und Druckniveau aufrechtzuerhalten. Frühe U-2 trugen eine Vielzahl von Sensoren in der Nase sowie Kameras in einer Bucht achtern des Cockpits.
Die U-2 flog erstmals am 1. August 1955 mit Lockheed-Testpilot Tony LeVier an den Kontrollen. Die Tests wurden fortgesetzt und im Frühjahr 1956 war das Flugzeug einsatzbereit. Eisenhower, der die Genehmigung für Überflüge der Sowjetunion reservierte, bemühte sich um eine Einigung mit Nikita Chruschtschow über Luftinspektionen. Als dies fehlschlug, genehmigte er die ersten U-2-Missionen in diesem Sommer. Die von CIA-Piloten geflogenen U-2 flogen größtenteils vom türkischen Luftwaffenstützpunkt Adana (am 28. Februar 1958 in Incirlik AB umbenannt) in den sowjetischen Luftraum und sammelten wertvolle Informationen.
Obwohl das sowjetische Radar in der Lage war, die Überflüge zu verfolgen, konnten weder ihre Abfangjäger noch ihre Raketen die U-2 auf 70.000 Fuß erreichen. Der Erfolg der U-2 veranlasste die CIA und das US-Militär, das Weiße Haus auf weitere Einsätze zu drängen. Obwohl Chruschtschow gegen die Flüge protestierte, konnte er nicht beweisen, dass es sich um ein amerikanisches Flugzeug handelte. Die Flüge von Incirlik und von Forward-Stützpunkten in Pakistan wurden die nächsten vier Jahre unter absoluter Geheimhaltung fortgesetzt. Am 1. Mai 1960 wurde die U-2 ins Rampenlicht der Öffentlichkeit gerückt, als eine von Francis Gary Powers geflogene von einer Boden-Luft-Rakete über Swerdlowsk abgeschossen wurde.
Gefangen genommen wurde Powers zum Zentrum des daraus resultierenden U-2-Zwischenfalls, der Eisenhower in Verlegenheit brachte und ein Gipfeltreffen in Paris effektiv beendete. Der Vorfall führte zu einer Beschleunigung der Spionagesatellitentechnologie. Die U-2-Überflüge von Kuba im Jahr 1962 blieben weiterhin ein strategisches Kapital und lieferten die fotografischen Beweise, die die Kubakrise auslösten. Während der Krise wurde eine von Major Rudolf Anderson Jr. geflogene U-2 von der kubanischen Luftverteidigung abgeschossen. Mit der Verbesserung der Boden-Luft-Raketentechnologie wurden Anstrengungen unternommen, um das Flugzeug zu verbessern und seinen Radarquerschnitt zu verringern. Dies erwies sich als erfolglos und die Arbeiten an einem neuen Flugzeug zur Durchführung von Überflügen der Sowjetunion begannen.
In den frühen 1960er Jahren arbeiteten die Ingenieure auch an der Entwicklung flugzeugträgerfähiger Varianten (U-2G), um deren Reichweite und Flexibilität zu erweitern. Während des Vietnamkrieges wurden U-2 für Aufklärungsmissionen in großer Höhe über Nordvietnam eingesetzt und flogen von Stützpunkten in Südvietnam und Thailand. Im Jahr 1967 wurde das Flugzeug mit der Einführung des U-2R dramatisch verbessert. Das U-2R ist etwa 40% größer als das Original und verfügt über Unterflügel und eine verbesserte Reichweite. Dazu kam 1981 eine taktische Aufklärungsversion mit der Bezeichnung TR-1A. Mit der Einführung dieses Modells wurde die Produktion des Flugzeugs wieder aufgenommen, um die Anforderungen der USAF zu erfüllen. In den frühen 1990er Jahren wurde die U-2R-Flotte auf den U-2S-Standard umgerüstet, der verbesserte Motoren umfasste.
Die U-2 hat auch nicht-militärische Dienste bei der NASA als ER-2-Forschungsflugzeug geleistet. Trotz seines fortgeschrittenen Alters bleibt das U-2 aufgrund seiner Fähigkeit, kurzfristig Direktflüge zu Aufklärungszielen durchzuführen, im Einsatz. Obwohl im Jahr 2006 Anstrengungen unternommen wurden, das Flugzeug aus dem Verkehr zu ziehen, konnte dieses Schicksal vermieden werden, da es kein Flugzeug mit ähnlichen Fähigkeiten gab. Im Jahr 2009 gab die USAF bekannt, dass sie beabsichtigt, die U-2 bis 2014 beizubehalten, während sie daran arbeitet, den unbemannten RQ-4 Global Hawk als Ersatz zu entwickeln.