1954年，東、西方冷戰在經曆了前一年斯大林逝世、朝鮮戰爭結束、赫魯曉夫上台等一係列重大事件後，進入了一個相對穩定的鬥爭時期。1953年就任的美國總統艾森豪威爾鑒於朝鮮戰爭的慘痛教訓，製定了倚仗戰略核優勢遏製前蘇聯在全球各地擴展的“大規模報複戰略”，盡力避免再陷入大規模的地麵戰爭泥潭，轉而重視采用一切非戰爭的手段與前蘇聯展開較量。政策重心之一，是確保美國在戰略核武器方麵優勢的同時，千方百計要掌握前蘇聯發展戰略核武器的情報以保持在這場軍備競賽中的主動權，防止被對手搞得措手不及。在這一背景下，這一年年初，軍政當局決定開發研製一種專職高空戰略偵察機，用它在嚴嚴實實遮蔽住前蘇聯大陸的鐵幕中打開一扇“天窗”，獲取秘密。研製計劃交給洛克希德飛機製造公司。中央情報局、國務院和軍方提出的性能要求是：飛行高度2萬米以上，活動半徑2000千米以上，飛機型號定為U-2。
洛克希德公司由著名設計奇才凱利·約翰遜擔任主設計，由公司的“臭鼬工廠”生產製造。於1954年春動手研製，進展很快，1955年7月，樣機已研製完成。
8月1日，第一架U-2原型機飛上了天空。經過又一年的試驗改進，1956年6月，U-2正式定型，首批12架A型機趕製完成。一個月後，即匆匆派往前蘇聯領空，開始執行秘密偵察的使命。
從外觀看去，U-2是一種極其普通的飛機，一副平直翼加機身，采用機頭兩側進氣，全身塗成銀灰色或漆黑色。但它與普通飛機又有明顯不同：機身奇細，機翼奇長，從下麵看上去，活像是一個十字架。
U-2長15.40米，翼展24.38米，高4.65米，空重5.9噸，裝一台渦輪噴氣發動機，推力5000—7720千克，最大飛行速度0.8倍音速，飛行高度2萬米，作戰半徑2200—3000千米，續航時間6-14個小時。
U-2飛機最突出的性能是飛得高，可達到2萬米以上，是世界上第一種能達到2萬米的飛機，當時蘇軍所有型號的殲擊機都飛不到這個高度，美國的早期偵察機也達不到這個高度。這個優點使它成為曆史上第一種不必擔心被對手打擊的飛機，而這一點，正是設計者們所刻意追求的。U-2飛機的結構設計、材料選用、機載設備的配製等等，都是服務於這一目的，或滿足於高空飛行環境。
為減輕重量提高飛行高度，飛機的機載設備被盡可能地精減或簡化。起落架采用雙輪自行車式，而沒有采用傳統的三點式。機腹下、前、後各安置一隻車輪，同時兩翼翼尖各一支稱為“彈簧棒”的有輪短棍支撐，以保持滑跑時的平衡，座艙容積被壓縮到不能再小，狹窄之極，座椅彈射係統在早期型號中也被取消。飛機出事時飛行員隻能自己打開艙蓋爬出機艙跳傘。
飛機在高空飛行，大氣氣壓很低，普通燃油加溫後容易沸騰蒸發，導致油箱和輸油管中產生氣泡，影響發動機燃燒，降低推力甚至引起熄火。另外，高空中氣溫降至攝氏零下70度時，位於機翼油箱中的燃料容易結冰，為解決這一問題，洛克希德公司特別商請殼牌石油公司開發了一種低度揮發的“輕油”，供U-2使用。
U-2飛機的駕駛設備中最有特色的是一種航差矯視儀，它是飛行員用來掌握航向的一種儀器，它由鏡頭和觀察屏組成。鏡頭是一個望遠鏡，裝在機身下部，鏡頭直徑152毫米（6英寸），可由人操縱作360度轉動，觀察屏也呈圓形，位於座艙儀表板正中，前風擋下麵，鏡頭攝下的圖像通過它反映出來，U-2的巡航高度通常在1.8萬米以上，在這個高度上沒有高山作地標，隻能靠檢查地麵檢查點或觀察天象來保持航向，航差儀的主要作用就是讓飛行員觀察檢查點，結合航行圖掌握自已的位置和航向。
U-2飛行另一個功能特色是它的偵察能力。它有一台高性能光學照相機，是中央情報局專款專人研製的。它重180千克，有一個762毫米（30英寸）長焦距鏡頭，拍攝精度甚高，每厘米30條線，大大超過普通相機每厘米12條線的標準。在1.8萬米高空地麵目標隻要長、寬各超過70厘米就逃不過它的眼睛。據稱能分辨出地麵行人和自行車。這種相機可以多角度轉動拍攝。內裝20厘米的底片2500米，可連續拍照9小時以上。每次任務後拍回的照片可達1800米長，足以堆滿一間屋子。成千的人花上一個星期才能處理完。