Na pokładzie znajdują się urządzenia radiolokacyjne i fotograficzne umożliwiające obserwację obiektów położonych do 480 km w bok od samolotu. Wiele urządzeń znajduje się w stałych zasobnikach w skrzydłach. Podwozie jednotorowe chowane, z odrzucanymi po starcie podpórkami pod skrzydłami.
W latających obecnie wersjach sukcesywnie do roku 1998 modernizowano napęd poprzez wymianę na lżejsze i oszczędniejsze jednostki General Electric F-118-101, zapewniające jednocześnie większą siłę ciągu.
Modernizacji poddano również awionikę, wyposażenie kokpitu i urządzenia elektroniczne (m.in. samolot wyposażono w nowoczesny system radarowy Raytheon ASARS-2).
Przebieg służby thumb|U-2 w wersji TR-1B Wiadomo, że U-2 latały z misjami rozpoznawczymi nad terytorium ZSRR, Chin, Kuby i innych państw bloku wschodniego. Wykryły one m.in. istnienie kosmodromu Bajkonur (5 sierpnia 1957) oraz stanowiska rakiet SS-4 podczas kryzysu kubańskiego (14 października 1962).