1954年3月，洛克希德公司首席設計師克拉倫斯·L.約翰遜提議為美國空軍設計一種高空偵察機，因為多次戰爭已經證明：現有的偵察機在敵方上空的生存概率很低。這就是後人所知的洛克希德CL-282計劃，也就是說在F-104“星戰士”機身和機尾的設計基礎上，安裝大展弦比機翼。U-2偵察機的研發起點，就在於此。

但是這一提議由於發動機選型而遭到拒絕——約翰遜想選用尚處於試驗階段的通用電氣J73，而美國空軍卻熱衷可靠的普拉特·惠特尼J57。美國空軍的擔憂是可以理解的：在敵方上空長時間飛行，發動機的可靠性意味著生存能力。但這沒有嚇倒約翰遜，他將計劃提交給了中央情報局（CIA）的官員。在與CIA局長艾倫·杜勒斯和CIA研究與發展主任喬·查理克博士會談後，最終達成了協議——約翰遜要圍繞普拉特·惠特尼J57渦噴發動機重新設計CL-282，但仍可保留很多F-104的特徵。

約翰遜表示洛克希德生產20架飛機及零件需要花費2200萬美元並在合同簽署後8個月內生產出原型機。1954年12月9日，CIA授予了洛克希德公司一份研發合同，名為“感光板計劃”，CIA提供機身經費，美國空軍提供發動機經費。原型機是在絕密條件下製造的，由洛克希德公司高階開發計劃辦公室伯班克工廠（即所謂的“臭鼬工廠”）工程部負責。

“臭鼬工廠”這一名字起源於《李·艾伯納》動畫片中的角色，他在一個簡陋的棚屋內利用臭鼬、舊靴子和其他手邊的東西釀造“基卡普啤酒”。1943年開始使用這個名字，當時XP-80的設計工作在伯班克工廠一個由發動機木箱和馬戲團帳篷臨時搭建的車間內進行，附近有一個臭氣熏天的塑料工廠。

飛機最初被稱作中央情報局341號物品，就像一架安裝了噴氣發動機的滑翔機——機身修長，長錐形機翼，高高的垂尾和方向舵。起落架採用了串聯雙輪，前面的輪子稍大。為了在起飛時平衡機翼，翼展中部支架下安裝了被稱為“單高蹺”的小型機輪。當飛機起飛後，這些小型機輪被丟下，可重複使用。每個翼尖都安裝了小型滑軌。洛克希德U-2註定要成為最具爭議性和政治爆炸性的飛機。1955年8月，U-2首飛，很快就接到了52架的生產訂單。

在最初服役時，在世界範圍內沒有能夠威脅到U-2A型偵察機的戰鬥機或者導彈。由於洛克希德公司“臭鼬工廠”員工的優秀設計，該型飛機效能十分卓越。至20世紀60年代早期，美國中央情報局使用的U-2偵察機已經採用更廣為人知的全黑塗裝方案。

1956年U-2開始飛越蘇聯和華約組織國家領空。直到1960年5月1日停止，因為當時中央情報局的飛行員弗朗西斯·G.鮑爾斯在斯維爾德洛夫斯克附近被蘇聯的SA-2導彈擊落。1962年古巴導彈危機時期，U-2開始飛越古巴上空，1架被擊落。1965年至1966年間，U-2還出現在了北越上空。U-2高空偵察機能夠維持長時間的任務飛行，這使得它成為一款能夠服務於美國不斷增長的軍事行動的極其有效的偵查平臺，例如在前南斯拉夫波斯尼亞的軍事行動中，就有U-2偵察機的身影。

美國中央情報局將U-2A型偵察機用於執行蘇聯和中國國土上方的偵察飛行任務，1962年9月至1967年9月，空軍地空導彈部隊共擊落國民黨空軍U-2型高空偵察機5架。而這款軍機目前為止只有7架被擊落的記錄。同時，美國空軍將U-2A型偵察機用於高空取樣專案（HASP），目的在於監測全球各地的核爆炸放射性塵埃。為執行此任務，U-2A偵察機在機身左側加裝了一部用於收集微粒的“嗅探器”吊艙。U-2R/TR-1A型高空偵察機在“沙漠風暴”軍事行動中扮演了十分重要的角色，通過雷達成像技術為決策者提供了伊拉克軍事部署的詳細情報。

U-2R是最後一款U-2改型，但是1978年美國重啟U-2生產線，生產了29架由U-2R發展而來的TR-1A戰場監視飛機。90年代，所有的TR-1A改稱U-2R。