U-2上艦
從1963年開始，至少有一架美國空軍的U-2在高空清晰空氣湍流（HICAT）項目下，在機鼻安裝了大氣數據探杆，對高空湍流進行觀測。該項目持續了幾年，HICAT U-2被派往世界各地進行觀測，成為使用U-2執行純研究任務的早期例子。
HICAT U-2
安裝在機鼻的大氣數據探杆
把U-2部署在其他國家境內執行偵察任務從來都是件麻煩事，所以中情局決定研究從美國海軍航空母艦上起降U-2的可行性。
該項目於1963年8月啟動，代號“鯨尾”（WHALE TALE）。增加尾鉤的U-2C從聖地亞哥沿海“小鷹”號航母上的起飛測試非常順利，無需彈射器就能滑跑起飛，特別是當航母駛入逆風時。但降落就變成一場慘敗，當然這也是意料之中的事情，因為U-2一起飛就不願降落，觸及甲板導致的翼尖彈跳會讓U-2C重新回到天空。
在“小鷹”號上進行上艦測試的U-2C
不管怎樣，U-2C的上艦測試證明了該機上艦的具有可行性，導致洛克希德製造出三架U-2G艦載型。該機具有更強大的起落架，一個攔阻尾鉤，機翼上表面的擾流板（用於在著艦時破壞機翼升力，使U-2能落在甲板上）。1964年5月，U-2G從“突擊者”號航母起飛對屬波利尼西亞穆魯羅阿環礁上的法國核彈試驗場進行了兩次偵察，這也是U-2G執行的唯一一次作戰任務。中情局之後保留了四年的航母起降能力，但U-2G再也沒有執行過任務。洛克希德還製造了一架具有空中加油能力的U-2H艦載型，結果因為超重被改回到U-2G。
U-2G降落在“突擊者”號航母
U-2G的尾鉤成功勾住了攔阻索
60年代末第一代U-2開始被第二代U-2接替，一些U-2C被改裝成U-2CT雙座教練機，於1973年進行了首飛。U-2CT的第二個座艙被安裝在Q艙，擁有自己獨立的座艙蓋。由於教練型被證明是非常有用，1975年第二批U-2C被改裝為教練機。
U-2CT教練機
美國空軍在1971年把兩架U-2C轉讓給NASA，用於研究任務。這些飛機在1987年退役，成為最後退役的第一代U-2。洛克希德製造的45架U-2A中只有11架倖存到退役，有26名飛行員因各種原因身亡。
二代U-2
到1966年夏天，中情局U-2機隊已經因各種原因縮減至6架，鑑於U-2數量的減少，1966年五角大樓又訂購了10架新型U-2，其中6架被分配給中情局。這批飛機的型號是U-2R，雖然保留了第一代U-2的總體佈局和J75-P-13B發動機，但性能更強。
兩代U-2的尺寸對比
U-2R的機身拉伸，增加了Q艙的尺寸，機頭也更長，可更換安裝有不同有效載荷的機鼻。該機的座艙也更大更舒適，具有零零彈射座椅。增加的座艙空間使飛行員可身穿宇航員式的高空代償服，而不是令人不舒服的緊身衣。
U-2R飛行員的“太空服”
U-2R的模塊化載荷能力
U-2R的尾翼組件也相應放大，機翼中段具有安裝大型有效載荷的能力，一般是形似魚雷的“超級吊艙”，可內置不同有效載荷。U-2R於1968年開始服役，總數量12架，被中情局和美國空軍瓜分。
U-2R的機翼吊艙
作為U-2EP-X（電子巡邏/實驗）項目的一部分，兩架U-2R在安裝尾鉤後在1969年參加美國海軍評估，進行了航母起降測試。該項目的主要目的是評估U-2進行遠程海上巡邏的可行性，為該機配備了監視雷達。
U-2R的上艦測試
內置ASARS側視雷達的U-2R機鼻
中情局在1974年8月結束了持續18年的U-2操作，將四架倖存U-2R移交美國空軍。洛克希德從1981年開始又製造了37架U-2R，其中兩架成為NASA的ER-1，35架是美國空軍為的TR-1，這當中包括31架TR-1A單座型和4架TR-1B雙座教練機。
當戰略空軍司令部於1992年被撤銷時，TR-1被移交給新成立的空戰司令部（ACC），編入第9偵察機聯隊（9RW），TR-1的編號也被廢棄，單座型編號恢復為U-2R，雙座型則是TU-2R。
NASA ER-2
持續服役
在20世紀即將結束時，U-2變得非常忙碌，事實上第9偵察聯隊正以大約三倍於冷戰時期的出動率操作該機，飛行員和飛機都疲於奔命，飛機損耗很大。
U-2先後參加了1990和1991年海灣戰爭的“沙漠風暴”和“沙漠盾牌”行動、90年代北約介入南斯拉夫內戰、2001年阿富汗反恐戰爭、2003年伊拉克自由行動。
U-2在海灣戰爭期間拍攝的轟炸效果評估照片
經過持續改進之後，U-2R已經具備諸多先進標準有效載荷，包括：
光電/紅外成像儀。
ASARS-2合成孔徑雷達，具有對移動或靜止目標的搜索和跟蹤模式，在移動目標指示模式下，雷達可在實時合成孔徑成像或地圖繪製時標記目標。2001年誕生的ASARS-2A雷達具有更廣泛的搜索範圍和更高分辨率的標記模式。
SENIOR GLASS信號情報系統，由SENIOR SPEAR通信情報系統和SENIOR RUBY電子情報系統組成。
諾斯羅普·格魯曼公司為美國空軍U-2和“全球鷹”無人機研製的空中信號情報有效載荷（ASIP）。U-2從2007年12月開始對ASIP進行試飛，2008年正式裝備該系統。
SENIOR SPAN和SENIOR SPUR數據鏈系統。
所有U-2都換裝了通用電氣F118-GE-101渦扇發動機，該發動機比先前安裝的普惠J75-P-13非加力渦噴發動機更輕更小，推力更大，耗油率更低。升級後的飛機編號為U-2S，雙座型則是TU-2S。
洛克希德·馬丁公司從2001年開始為U-2實施偵察航空電子設備可維護性項目（RAMP），對現役U-2進行座艙升級。新座艙具有三個15 x 20釐米（6 x 8英寸）彩色多功能顯示器，一個次要飛行顯示器和新的無線電控制裝置。多功能顯示器從左到右提供了飛機系統數據、飛行數據、地圖顯示。第一臺RAMP U-2S在2002年重新服役，整個升級在2007年完成。在升級中U-2還獲得了BAE系統公司的AN/ALQ-221先進自衛系統，該系統由雷達告警接收機和電子對抗系統組成。
U-2S的新座艙
美國空軍原計劃在2012年全部退役U-2，用RQ-4“全球鷹”取而代之。但“全球鷹”需要時間發展才能達到與U-2相同的偵察能力，因此該機至少要服役到2025年。NASA的ER-2目前仍在執行重要研究任務，尚未明確退役計劃。
U-2與RQ-4
