Опыт боевых действий в период гражданской войны в Испании показал значительную роль штурмовых действий авиации. В СССР была поставлена задача создать штурмовик с мощным наступательным и оборонительным вооружением. И такой самолет был создан в КБ С. В. Ильюшина. Главной особенностью Ил-2 стал бронекорпус, защищавший летчика и штурмана, Доработка и выпуск самолета сразу столкнулись с множеством сложностей и для ускорения процесса было принято решение наладить первоначально производство одноместного Ил-2, что при этом не снимало задачи создания двухместного штурмовика. Базовое вооружение самолета состояло из двух 20 мм. пушек ШВАК и двух 7,62 мм. авиационных пулеметов ШКАС. Самолет мог нести реактивные снаряды РС-82 или РС-132 и авиабомбы. Выпуск Ил-2 изначально был развернут в Воронеже на заводе № 18.
Одно из первых массовых применений Ил-2 было отмечено 27 июня 1941 г., когда Ил-2 4-го штурмового авиаполка атаковали немецкую колонну в районе Бобруйска. Это был единственный на тот момент советский авиаполк, полностью укомплектованный новыми штурмовиками. В последующие дни полк препятствовал форсированию противником Березины, уничтожив 9 переправ. Однако и потери оказались очень значительными. Из 63 самолетов к 10 июля 1941 г. в строю оставались не более десяти машин и полк был отведен на переформирование. В дальнейшем количество «илов» в действующей армии постепенно увеличивалось. Тем не менее, ситуация с производством Ил-2 в условиях эвакуации и перевода промышленности на военные рельсы оставалось тяжелой, а количество выпускавшихся в тяжелейших условиях штурмовиков явно не соответствовало потребностям армии. В телеграмме Сталина от 23 декабря 1941 г. на имя руководства авиационных заводов № 1 и № 18 отмечалось: «Вы подвели нашу страну и Красную Армию. Вы не изволили до сих пор выпускать Ил-2. Самолеты Ил-2 нужны нашей Красной Армии теперь как воздух, как хлеб Шенкман дает по одному Ил-2 в день, а Третьяков дает МиГ-3 по одной, по две штуки. Это насмешка над страной, Красной Армией. Нам нужны не МиГи, а Ил-2. Если 18 завод думает отбряхнуться от страны, давая по одному Ил-2 в день, то жестоко ошибается и понесет за это кару. Прошу Вас не выводить правительство из терпения и требую, чтобы выпускали побольше Илов. Предупреждаю последний раз».
Боевое применение Ил-2 выявило уязвимость со стороны задней полусферы, откуда немецкие истребители нередко атаковали советский штурмовик. Поэтому с осени 1942 г. в армию стал поступать двухместный вариант штурмовика. Стрелок, вооруженный 12,7 мм. пулеметом УБ прикрывал заднюю полусферу, что несколько снизило риск безнаказанной атаки истребителей противника. Была предпринята попытка вооружить Ил-2 более мощной 37 мм. пушкой НС, однако практика показала значительную отдачу этого оружия, что затрудняло его использование штурмовиком. Кроме того, получили распространение Ил-2, вооруженные двумя 23-мм пушками ВЯ. Начиная с Курской битвы, советские штурмовики начали применять такую военную новинку как ПТАБы. Противотанковые кумулятивные бомбы при встрече с целью давали направленную кумулятивную струю способную за счет колоссального давления и температуры пробить 60 мм броню. Нередко при попадании подобной бомбы следовала детонация боекомплекта или воспламенение горючего, танк выгорал полностью и восстановлению уже не подлежал. Каждый Ил-2 нес 280 кумулятивных бомб, обеспечивая поражение цели на площади 75 X 15 метров, что позволяло эффективно использовать кумулятивные бомбы по скоплениям техники.
Нашли Ил-2 боевое применение и в составе авиации флота. Если изначально штурмовая авиация флотов действовала в основном по наземным целям, поддерживая действия сухопутных войск, то с 1942 г. Ил-2 все чаще стали действовать против кораблей и военно-морских баз. Особенно часто Ил-2 Черноморского флота привлекались к действиям на коммуникациях противника в Керченском проливе, где немцы использовали небольшие маневренные корабли и суда, применение против которых бомбардировщиков было затруднительным. Однако потопить даже небольшое судно при помощи пушечно-пулеметного огня или реактивных снарядов штурмовика оказалось очень непросто. Нанести гибельные повреждения могли лишь авиабомбы, а Ил-2 мог взять лишь две ФАБ-250. 13 ноября 1943 г. советская авиация нанесла массированный удар по военно-морской базе Камыш-Бурун. Бомбардировщики и истребители повредили несколько судов и нанесли серьезный урон инфраструктуре порта. Среди погибших в результате этого налета был и командующий ВМС Германии на Черном море вице-адмирал Густав Кизерицки, чей штабной автомобиль был расстрелян советскими штурмовиками. Он стал первым немецким адмиралом, погибшем на Восточном фронте.
Значительными оказались и потери Ил-2 на всем протяжении боевых действий. В начале войны Ил-2 часто становились жертвой немецких истребителей, которые быстро обнаружили слабое место советского штурмовика и атаковали Ил-2 со стороны задней полусферы. Бронированный корпус был способен в ряде случаев выдерживать попадания пуль, но практически всегда пробивался снарядами автоматических пушек. К концу войны потери от действий истребительной авиации стали постепенно снижаться. Это было связано с уменьшением активности немецких истребителей в силу значительных потерь и нехватки опытных кадров. В свою очередь штурмовики действовали большими группами, обеспечивая взаимную защиту. Сильнее стало и истребительное прикрытие. Однако большая часть Ил-2 была потеряна в результате огня зенитной артиллерии. Высокая насыщенность вражеской обороны пулеметами, 20- мм и 37 мм. автоматическими пушками вела к тому, что атаку Ил-2 нередко встречал ливень пуль и снарядов и практически каждый массированный удар не обходился без потерь для советской авиации. В дальнейшем, с увеличением количества штурмовиков, перед частью Ил-2 ставилась задача подавления ПВО противника для чего нередко выделялось не менее половины атакующих самолетов. А при атаке противника, не имевшего зенитного и авиационного прикрытия, Ил-2 наносили немецким войскам колоссальный урон. Так, например, в ходе операции «Багратион» на Могилевском и Осиповическом направлениях немецкие войска были вынуждены отступать в лесисто-болотистой местности по нескольким дорогам, загруженным войсками и техникой, что создавало благоприятные условия для применения штурмовой авиации. Один из немецких пленных показал: «Все дороги нашего отступления усеяны тысячами разбитых автомашин и повозок, трупами лошадей и солдат. Моральное воздействие русской авиации было огромным. При появлении советских самолетов солдаты бросали на дорогах автомашины и подводы и бежали прятаться в лес».
Всего за время Великой Отечественной войны было выпущено 34943 Ил-2 и 1211 ИЛ-2У (учебный). Боевые потери Ил-2 составили 10759 единиц — это около 29% всех потерянных в ходе войны Красной Армией советских самолетов. Еще 807 штурмовиков потерял Военно-морской флот. Потери летчиков, воевавших на Ил-2, составили 7837 человек.