В 1939 году группа Туполева получила задание создать скоростной бомбардировщик, который развивал бы скорость, сравнимую со скоростью истребителя. Новый бомбардировщик должен был нести тяжелые бомбы на внутренней подвеске и сбрасывать их в пике. Самолет должен был летать в тяжелых погодных условиях, днем и ночью. В результате появился двухмоторный пикирующий бомбардировщик «103». Первые наброски были готовы в конце 1939 года, а в феврале 1940 года были готовы общие чертежи. Тем временем КБ Туполева перевели из Болыпевской колонии на авиазавод № 156.
29 февраля 1940 года Специальное техническое бюро НКВД, в состав которого входил коллектив Туполева, выступило с просьбой, чтобы самолет «ФБ» 2М-120 («103») включить в план постройки прототипов на 1940 год. С марта 1940 года бомбардировщик «ФБ» уже официально получил номер 103.
21 апреля 1940 года макет самолета «103» осмотрела комиссия и одобрила его. В соответствии с постановлением Государственного Комитета Обороны (ГКО) № 239 от 1 июня 1940 года завод № 156 должен был построить три прототипа «103»: один с двигателями АМ-35А, а второй и третий с двигателями М-120ТК-2. Первый прототип следовало представить к государственным испытаниям к январю 1941 года, а второй и третий — в марте и мае того же года. Конструкторы должны были подготовить чертежи для варианта с двигателями АМ-35А.
Сборку самолета «103» начали в мае 1940 года. В эти дни советская делегация нанесла визит в Германию. Немцы продемонстрировали многие новые машины, в том числе двухмоторный Ju 88. Представителям советских ВВС понравилась идея поместить экипаж в носовой кабине. Появилось предложение использовать такую кабину на «103». Предложение исполнили. Самолет подвергся переработке. Одновременно с новой кабиной в состав экипажа ввели четвертого члена — штурмана, который должен был сидеть рядом с пилотом. Организовали также еще одну огневую точку. Получившаяся модификация называлась «103У» (АНТ-59).
С мая 1940 года работы повелись в трех направлениях.
Самолет «103» 2АМ-37
Самолет «103У» 2АМ-37
Самолет «103» («103В») 2М-120
В июле 1940 года приступили к постройке прототипа «103У». Первым завершили «103» 2АМ-37. Готовый самолет разобрали и перевезли на аэродром НИИ ВВС в Чкаловске. 4 декабря 1940 года приказом НКАП (Народный комиссариат авиационной промышленности) № 689 укомплектовали экипаж для испытаний прототипа. Первым пилотом назначили М. А. Нючтикова, вторым пилотом — Ф.Ф. Опадчего, а штурманом — A.M. Акопяна. 8 января 1941 года самолет собрали и через три недели провели первый полет. Заводские испытания продолжались до мая 1941 года. В июне и июле проходили государственные испытания машины. Прототип «103» показал следующие характеристики:
Двигатели: 2 АМ-37 жидкостного охлаждения, мощностью по 1400 л.с.
Винты: трехлопастные ВИШ-61Т диаметром 3,4 м
Длина: 13,2 м
Размах: 18,8 м
Высота: 4,5 м
Нормальная взлетная масса: 9950 кг
Максимальная взлетная масса: 10992 кг
Нормальная бомбовая нагрузка: 1000 кг
Максимальная бомбовая нагрузка: 2000 кг
Максимальная скорость: 635 км/ч на высоте 8000 м
Скороподъемность: 5000 м за 8,6 мин
Потолок: 10600 м
Разбег: 440 м
Пробег: 730 м
Вооружение 2 ШВАК калибра 20 мм, 4 ШКАС калибра 7,62 мм
Экипаж: 3 человека.
Характеристики самолета «103» делали его одним из лучших в мире бомбардировщиков в своем классе. Самолет мог наносить удары как по площадям, так и по точечным целям с горизонтального полета или из пике. Самолет мог нести бомбы массой от 100 до 1000 кг. Наступательное вооружение дополняли две 20-мм пушки ШВАК и два 7,62-мм пулемета ШКАС. Еще два пулемета прикрывали заднюю полусферу. Места членов экипажа защищались броней, все бензобаки имели самогерметизирующиеся стенки и систему заполнения инертным газом. Самолет «103» 2АМ-37 развивал скорость, сравнимую со скоростью современных ему истребителей.
Прототип «103ВС» на территории завода № 166 в Омске, весна 1942 года.
Серийный Ту-2ВС (100717) из последней 7-й серии завода № 166, был собран 24 декабря 1942 года в Омске. Испытания самолета проводились в июне 1943 года. Управлял самолетом А.В. Чесалов. На самолете стояли моторы М-82ФН (АШ-82ФН).