U-2飞机的飞行高度很高
U-2D洛克希德公司利用多余的零件，组装出6架双座的U-2D。这批飞机的照相机舱为第二名机员座位取代，服役后用来执行大气研究和气象侦察任务。这也使得第一代U-2生产总数达55架。由于U-2训练折损过于严重，日后各有一架U-2C和U-2D被改装为双座教练机，称为U-2CT。
U-2E/F洛克希德公司在60年代初期为部分U-2加装空中受油设备，改装后的U-2B称为U-2E，U-2C则称为U-2F。空中加油让U-2的滞空时间可达14个小时，但这对飞行员体能极限也是考验。
U-2G中情局从1963年起进行航舰起降测试，以便U-2前往世界偏远角落执勤。3架改装的舰载型U-2被编号为U-2G。U-2的航舰起降测试相当顺利。不过由于动用航舰战斗群耗资巨大，而且行踪不易保密，中情局只利用航舰执行过一次U-2飞行任务，于1964年侦察法国在南太平洋的核子试爆设施。两架U-2G日后在1971年转交给国家航空太空总署(NASA)，担任高空试验任务，一直使用到1989年退休。
U-2R由于U-2折损过多，中情局和美国空军在1966年增购了12架U-2。这批飞机是性能更佳的新一代U-2R。在外形上，U-2R比前一代大了约1/3。除了机身加长之外，U-2R的主翼面积从52.5平方米增加到92.9平方米，发动机则换装J75-P-13B，这些改进让U-2变得容易操纵许多。加上两具大型主翼油箱夹舱之后，U-2R不空中加油即可飞行15个小时，巡航高度超过22555米。而且U-2R换装了更精密的H相机，其48?季低房纱友埠礁叨确直娌坏?4?即笮〉奈锾濉?
不断升级
在20世纪50年代末60年代初，U-2飞机曾经肆无忌惮地飞行在苏联的领空上，进行各种侦察活动。苏联当局在当时却拿U-2飞机没有办法，因为U-2在当时来说飞得实在太高了(2万多米)，高射炮打不着，战斗机又跟不上。这种情况一直维持到苏联的地空导弹部队装备了SA-2导弹为止。
1959年5月1日，由美军飞行员鲍尔斯驾驶U-2飞机飞进苏联内陆上空侦察“五一”庆典情况。当飞机飞至乌拉尔地区上空时，被苏联地面防空部队发现，随即一架米格-19飞机升空拦截，但由于性能所限，飞机不能爬升到U-2的飞行高度。这时，地空导弹部队发射了SA-2地空导弹，第一枚导弹就击中了U-2飞机，飞机顿时失去控制，落地爆炸。令人可悲的是，作战部队发射第一枚导弹后，并不知道已经击中了目标，紧接着又发射了第二枚导弹。正是这多此一举的第二枚导弹，恰好击中了正在追击U-2飞机的米格-19，飞行员当场死亡。此事40年后才被披露。