С переходом советских войск в 1943 году к наступательным операциям появилась острая потребность ВВС в скоростном бомбардировщике дальнего действия, который мог бы нести большую бомбовую нагрузку, иметь мощное оборонительное вооружение и действовать без истребительного прикрытия. Наиболее простым решением задачи казалась модернизация существующих серийных машин.

Работы по созданию дальнего бомбардировщика Ту-2Д на базе фронтового бомбардировщика Ту-2 шли несколько лет. Было построено и испытано несколько вариантов, но ни один из них не был запущен в серию.

В июне 1944 года начались испытания самолета "62", переделанного из серийного Ту-2С. Самолет имел увеличенную площадь крыла и хвостового оперения, увеличенные бензобаки и новый фонарь пилота. Экипаж состоял из четырех человек. Испытания показали, что дальность полета самолета составляет 2830км, что доказывало возможность создания дальнего бомбардировщика на базе серийной машины.

Второй экземпляр самолета "62" имел экипаж из пяти человек и увеличенную до 4000кг бомбовую нагрузку. Носовую часть фюзеляжа удлинили на 600мм. Штурман располагался в самом носу, второй пилот сидел сзади и сбоку от командира самолета и мог вести огонь из оборонительной пулеметной установки. Два стрелка находились в центральной части фюзеляжа. Этот вариант испытывался с октября 1944 года, а государственные испытания завершились в октябре 1945 года. На самолете обнаружили целый ряд дефектов, но доводить его не стали. Прототип переделали в опытный торпедоносец, а затем на его основе построили дальний бомбардировщик Ту-8.

Самолет "65" должен был получить двигатели жидкостного охлаждения АМ-39 с турбокомпрессорами. Но так как моторы АМ-39 оказались недоведенными, то самолет вышел на испытания с двигателями АМ-44. Самолет был построен в мае 1946 года, но хотя его испытания продолжались почти год, снять летные характеристики самолета не удалось из-за постоянных проблем с двигателяи. Экипажу не удалось совершить ни одного полноценного полета и работы по машине прекратили.

В ноябре 1945 года был построен вариант "67" с дизельными двигателями АЧ-30БФ, с которыми значительно должна была возрасти дальность полета. Самолет представлял собой модификацию пятиместной машины "62". В связи с увеличением дальности и продолжительности полета самолет "67" оборудовали автопилотом АП-42. Средняя стрелковая точка переоборудовалась под пушку Б-20. Предполагалось, что кроме бомбового вооружения самолет сможет нести и минно-торпедное. Первый полет самолета состоялся в феврале 1946 года. Однако проблемы с двигателями не позволили завершить испытания самолета. На государственные испытания машина не поступала.

Дальнейшие работы по вариантам Ту-2Д были прекращены в связи с постройкой четырехмоторного бомбардировщика Ту-4.