Chiếc Il-2 đã đóng vai trò quyết định tại Mặt trận phía Đông, và theo quan điểm Xô viết đây là chiếc máy bay có vai trò quyết định nhất trong lịch sử chiến tranh trên bộ hiện đại. Có thể bay cả ngày lẫn đêm, chúng có khả năng phá hủy lớp vỏ giáp dày của các loại tăng Panther và Tiger I, và thỉnh thoảng bắn hạ cả những chiếc Bf 109 khi các phi công Đức bất cẩn lúc tấn công chúng. Josef Stalin đã dành cho Il-2 lời chúc tụng nồng nhiệt nhất theo cách của ông: khi một nhà máy sản xuất chậm tiến độ giao hàng so với các nhà máy khác, Stalin đã gửi bức điện sau tới vị giám đốc: "Chúng quan trọng với Hồng quân cũng như không khí và bánh mì." [3]

Chiếc Il-2 lần đầu tiên tham chiến trong 4th ShAP (Trung đoàn Tấn công Mặt đất) trên Sông Berezina vài ngày sau khi cuộc xâm lược của Phát xít Đức bắt đầu. Vì chiếc máy bay quá mới các phi công còn chưa được huấn luyện gì về các đặc tính bay cũng như các chiến thuật chiến đấu, và bộ phận hậu cần dưới mặt đất cũng chưa được đào tạo về bảo dưỡng và tái nạp vũ khí. Đáng ngạc nhiên, tới ngày 10 tháng 7 số lượng Il-2 của 4th ShAP chỉ còn 10 chiếc từ tổng số 65 chiếc trước đó.[6]

Những chiến thuật đã thay đổi khi phi công Xô viết biết cách sử dụng những sức mạnh của Il-2. Thay vì tiếp cận thẳng ở tầm thấp khoảng 50 mét, mục tiêu thường được đặt phía tay trái phi công và một vòng quay bổ nhào hẹp 30 độ sẽ là thích hợp, sử dụng đội hình tấn công từ bốn tới mười hai máy bay một lúc. Dù loại rocket RS-82 của Il-2 có thể phá hủy vỏ giáp của các loại xe bọc thép chỉ bằng một phát bắn, nhưng tỷ lệ trúng đích thấp tới mức các phi công Il-2 chủ yếu phải sử dụng pháo trong chiến đấu.[7]

Rất khó xác định khả năng thực của Il-2 nhờ những bằng chứng tài liệu. W. Liss trong Aircraft profile 88: Ilyushin Il-2 đề cập tới một trận chiến trong Trận Kursk ngày 7 tháng 7 năm 1943, trong đó 70 chiếc xe tăng Đức thuộc Sư đoàn Panzer số 9 đã bị những chiếc Ilyushin Il-2 tiêu diệt chỉ trong 20 phút.[8] Trong một bản báo cáo khác về tác chiến ngày hôm đó, một quân nhân Xô viết đã ghi chú rằng

Các lực lượng mặt đất đánh giá rất cao khả năng của không quân trên chiến trường. Một số cuộc tấn công của kẻ địch đã bị cản trở nhờ những chiến dịch không quân của chúng ta. Vì thế vào ngày 7 tháng 7 những cuộc tấn công bằng xe tăng vào vùng Kashara (Quân đoàn số 13) đã bị bẻ gãy. Tại đây những chiếc máy bay tấn công của chúng ta đã tiến hành ba đợt tấn công mạnh mẽ theo các nhóm mỗi nhóm 20-30 chiếc, phá hủy và làm tê liệt 34 xe tăng. Kẻ địch buộc phải tạm ngừng các cuộc tấn công tiếp theo, rút lui bảo toàn lực lượng về phía bắc Kashara.[9]

Khi làm nhiệm vụ săn xe tăng, các máy bay IL-2 thường nhằm vào nóc các xe tăng Đức, một vị trí rất hiểm yếu có vỏ thép mỏng để tung ra hỏa lực chết người của pháo 37 mm lắp đạn sabot và roket tầm ngắn.

Ngay trong ngày đầu tiên của Trận Kursk, ngày 5 tháng 7 năm 1943, Sư đoàn Không quân số 29 của Hồng quân đã sử dụng loại vũ khí mới là bom PTAB. Tại khu vực Maloarchangelsk, Yasnaya Polyana đã thử nghiệm bom PTAB trước tiên. Xe tăng và bộ binh Đức đã tiến hành tới 10 cuộc tấn công trong ngày hôm đó. Các tổ lái xe tăng Đức, cũng như các đối thủ Nga của họ, vốn đã quen với độ chính xác khá thấp của các vụ ném bom thời đó nên đã không bố trí xe tăng tác chiến theo đội hình phân tán, và quân Đức đã bị trừng phạt nặng nề vì điều đó. Vệt rải bom PTAB dài gần 300 mét, đủ để quét trúng 2-3 xe tăng chạy cách xa nhau 60-75 mét, quân Đức đã phải chịu tổn thất đáng kể. Sư đoàn Không quân số 29 của Đại tá A. N Vitruk khi sử dụng bom PTAB đã phá hủy hoặc đánh hỏng tới 30 chiếc xe tăng của Đức chỉ trong ngày 5 tháng 7 năm 1943. Ngày hôm sau, Lữ đoàn Không quân số 3 và số 9 thuộc Quân đoàn Không quân 17 báo cáo đã dùng bom PTAB phá hủy hoặc đánh hỏng tới 90 xe tăng - xe bọc thép của Đức trên chiến trường. Ngày 15/7, 4 chiếc Il-2 của phi đội 614 chỉ huy bởi trung úy phi công Chubuk đã ném 1.190 trái bom PTAB vào 1 đoàn xe tăng gồm 25 chiếc của Đức (trong đó có 10 chiếc Tiger I), phi đội báo cáo đã phá hủy 7 xe tăng Đức, bao gồm 4 chiếc Tiger I[10]

Theo các nguồn tin của Đức, Sư đoàn SS Panzer số 3 Totenkopf đã trải qua nhiều cuộc không kích tập trung của IL-2 của Quân đoàn Không quân số 2 trong khu vực Bolshiye Mayachki và đã bị mất tổng cộng 270 xe tăng - xe bọc thép và pháo tự hành. Sau cú sốc đầu tiên, các tổ lái xe tăng Đức trong vài ngày sau đó đã chuyển sang đội hình hành quân và tác chiến phân tán hơn (mỗi xe tăng sẽ chạy cách nhau hàng trăm mét thay vì vài chục mét như trước) để giảm khả năng bị Il-2 rải bom. Do xe tăng Đức chạy phân tán hơn, hiệu quả không kích của IL-2 sử dụng PTAB bị giảm khoảng 4,5 - 5 lần, tuy nhiên, hiệu quả của nó vẫn cao gấp 2-3 lần so với sử dụng bom thông thường. Mặt khác, chiến thuật chạy xe phân tán của Đức cũng làm giảm hiệu quả tác chiến của xe tăng Đức, làm tăng thời gian triển khai và khiến việc liên lạc giữa các đội hình xe tăng trở nên khó khăn hơn.

Nhờ lớp vỏ giáp bảo vệ, một chiếc Il-2 có thể chịu được nhiều phát đạn và đã chứng tỏ là một mục tiêu khó chịu đối với cả hỏa lực mặt đất và trên không. Một số phi công thích ngắm xuống từ buồng lái và gốc cánh trong những cuộc tấn công với đội hình Il-2 ở độ cao tốc độ thấp [11]. Nhiều phi công hàng đầu của Không quân Đức (Luftwaffe) tuyên bố rằng sẽ dễ dàng tiêu diệt Il-2 hơn khi vọt lên từ phía sau, ngoài tầm quan sát của pháo thủ đuôi, và ngắm bắn vào bộ phận bình dầu làm nguội thò ra ngoài của nó. Tính chính xác của tuyên bố này chưa được các phi công Il-2 xác nhận trong những cuộc phỏng vấn thời hậu chiến bởi Il-2 thường bay thấp rất gần mặt đất (chiều cao bay dưới 50 m (160 ft) là thông thường) và bộ phận tản nhiệt chỉ nhô ra 4 in (10 cm) khỏi bề mặt máy bay. Một nguy cơ chính của Il-2 là hỏa lực mặt đất Đức. Trong những cuộc phỏng vấn thời hậu chiến, các phi công Il-2 đã nói rằng pháo phòng không 20mm và 30mm chính là mối lo lớn nhất của họ. Tuy loại pháo 88mm có sức công phá lớn, nhưng tốc độ bắn và chỉnh góc chậm, nó không thích hợp để đối phó với mục tiêu bay ở độ cao thấp như IL-2. Chỉ thỉnh thoảng một vài chiếc Il-2 bị pháo 88mm bắn hạ, các phi công Xô viết rõ ràng không đề cao loại pháo "88" như những phi công lái máy bay ném bom Đồng minh.

Lớp giáp của Il-2 dày từ 5 đến 12 mm (0.2 to 0.5 in) và bọc kín động cơ cùng buồng lái có khả năng chống lại các loại đạn nhỏ và những vết bắn sượt của đạn súng cỡ lớn hơn. Đã có những báo cáo về việc lớp giáp vẫn đứng vững sau khi bị bắn trực tiếp bởi đạn 20mm. Không may thay, pháo thủ phía sau không được bảo vệ bởi lớp giáp và phải chịu tỷ lệ thương vong cao gấp bốn lần phi công. Số thương vong càng tăng thêm bởi chính sách của Xô viết không quay trở về với vũ khí thừa khiến máy bay phải bay nhiều vòng trên mục tiêu để xả hết đạn[cần dẫn nguồn]. Quân đội Xô viết thường buộc máy bay phải lượn thêm nhiều vòng trên mục tiêu sau khi đã bắn hết đạn để quan sát chất lượng cuộc bắn phá của những chiếc Il-2 trên trận địa Đức, quân Đức đặt tên cho loại máy bay này là Fleischer (Đồ tể). Cái tên nổi tiếng "Tăng bay" và "Der Schwarze Tod" ("Tử thần đen") không phải do các binh sĩ đặt. Tên tăng bay do nhà thiết kế đặt trong giai đoạn thiết kế đầu tiên. Tên thứ hai do cơ quan tuyên truyền Xô viết. Các phi công Đức gọi chúng là Eiserner Gustav (Gustav Sắt) hay Zementbomber (Máy bay ném bom bê tông) – cả hai đều do khả năng thao diễn kém của loại máy bay này[12]. Tên hiệu Phần Lan Maatalouskone ("Máy nông nghiệp" hay "máy thu hoạch") xuất phát từ kiểu tấn công tầm thấp của nó[13]

Sau chiến tranh Il-2 hoạt động tại nhiều quốc gia Đông Âu, và cuối cùng hầu hết những chiếc Il-2/10 đều bị loại bỏ với sự xuất hiện của những chiếc phản lực quân sự. Chỉ vài chiếc còn tồn tại tới ngày nay, gồm những chiếc phục chế từ những chiếc đã lao xuống đất để trưng bày trong bảo tàng. Những năm gần đây, nhiều xác Il-2 đã được phát hiện và lấy lên từ Hồ Balaton, một hồ lớn và nông tại Hungary, gần địa điểm của một trận đấu tăng lớn trong Thế chiến II.