Đầu thập niên 1950, với những căng thẳng đang gia tăng của cuộc Chiến tranh Lạnh, quân đội Hoa Kỳ cần một thiết bị trinh sát chiến lược tốt hơn để xác định các khả năng và ý định của Liên Xô. Máy bay trinh sát đang có ở thời điểm ấy chủ yếu là những chiếc máy bay ném bom được chuyển đổi, dễ bị tổn thương bởi pháo phòng không, tên lửa, và các máy bay chiến đấu. Họ cho rằng một chiếc máy bay có thể hoạt động ở độ cao 70,000 ft có thể vượt quá tầm với của các máy bay chiến đấu, tên lửa và thậm chí là cả radar của Liên Xô.[1] Nó sẽ cho phép thực hiện các chuyến "bay qua"—xâm nhập vào không phận của một quốc gia để chụp ảnh từ trên không.

Dưới mã hiệu "AQUATONE", Không quân trao các hợp đồng[2] cho Bell Aircraft, Martin Aircraft, và Fairchild Engine and Airplane để phát triển những đề xuất cho chiếc máy bay trinh sát mới. Các quan chức tại Lockheed Aircraft Corporation nghe về dự án và yêu cầu kỹ sư hàng không Clarence "Kelly" Johnson thực hiện một bản thiết kế. Johnson là một nhà thiết kế tài năng, chịu trách nhiệm về chiếc P-38 Lightning, và P-80. Ông cũng nổi tiếng về việc hoàn thành những dự án trước thời hạn, làm việc trong một phòng riêng biệt của công ty được gọi đùa là Skunk Works (Xưởng chồn hôi).

Bản thiết kế của Johnson, được gọi là CL-282, kết hợp những chiếc cánh lướt dài vào thân của một bản thiết kế khác của ông, chiếc F-104 Starfighter. Để giảm trọng lượng, thiết kế ban đầu của ông thậm chí không có bánh đáp quy ước, cất cánh từ một dolly và hạ cánh bằng các thanh trượt. Bản thiết kế này bị Không quân bác bỏ, nhưng thu hút được sự chú ý của nhiều thành phần dân sự của ban xem xét, đáng chú ý nhất là Edwin Land, người cha của nhiếp ảnh lập tức (instant photography). Land đề xuất với giám đốc CIA Allen Dulles rằng cơ quan của ông sẽ cấp vốn và điều hành chiếc máy bay này. Sau một cuộc gặp với Tổng thống Eisenhower, Lockheed nhận được một hợp đồng trị giá $22.5 cho 20 chiếc máy bay đầu tiên. Nó được đổi tên lại thành U-2, với chữ "U" ám chỉ định danh không rõ ràng "utility" (hữu dụng).

Chuyến bay đầu tiên diễn ra tại địa điểm thử nghiệm tại Hồ Groom (Area 51) ngày 1 tháng 8 năm 1955, với dự định chỉ là một cuộc chạy thử trên đường băng ở tốc độ lớn. Những chiếc cánh kiểu tàu lượn quá hiệu quả tới mức chiếc máy bay lao vào không trung với tốc độ 70kn.[3]

James Baker đã phát triển các thấu kính cho một camera lớn được sử dụng trên chiếc U-2 trong khi làm việc cho Perkin-Elmer. Những camera mới này có độ phân giải 2,5 foot (76 cm) từ độ cao 60,000 ft.[3] Việc cân bằng rất quan trọng với chiếc U-2 tới mức camera phải sử dụng một phim tách (split phim), với các ống ở một bên tở ra phía trước trong khi các ống phía bên kia cuộn lại, vì thế duy trì một sự cân bằng phân bố trọng lượng trong suốt chuyến bay.

Khi những chuyến bay đầu tiên qua lãnh thổ Liên Xô bị radar phát hiện, CIA đưa ra Project RAINBOW để làm giảmdiện tích phản hồi radar của chiếc U-2. Nỗ lực này hoàn toàn không mang lại thành công, và công việc bắt đầu trên một chiếc máy bay tiếp theo, kết quả là chiếc Lockheed A-12 Blackbird.

Việc sản xuất được tái khởi động trong thập niên 1980 để sản xuất máy bay TR-1/U-2R.