Анализ работы кольчугалюминиевых конструкций в аэросанях, глиссерах, на самолете АНТ-1 позволил сделать вывод о том, что коллектив Туполева готов к созданию первого отечественного цельнометаллического самолета. Задание на проектирование, полученное от УВВС, предусматривало создание машины, которая могла бы использоваться как в пассажирском (пилот и два-три пассажира), так и военном вариантах (пилот и наблюдатель, вооруженные двумя пулеметами).
ОКБ Туполева приступило к выполнению первой государственной работы. Начали с изучения статистического материала на примере наиболее совершенных самолетов, что позволило установить эмпирическую зависимость массы конструкции от нагрузки на один квадратный метр поверхности. Затем последовала разработка методов расчета металлических конструкций, проверяемая испытаниями нескольких тысяч образцов, и определение рационального использования материала.
Финансовое положение ЦАГИ в те годы было тяжелым, но Госпромцветмет, для ускорения начала строительства АНТ-2, бесплатно снабжал исследователей металлом для опытных работ.
После выбора схемы — свободнонесущего моноплана с высокорасположенным крылом — приступили к определению формы дужки крыла и выбору материала обшивки. После сравнительных испытаний двух отсеков крыла, отличавшихся друг от друга гладкой или гофрированной обшивкой, остановились на гофрированной. При малых скоростях полета она практически не влияла на аэродинамику самолета, но обеспечивала более равномерное распределение нагрузки, чем гладкая обшивка. Продувки полной модели с выбранной формой крыла и фюзеляжем оригинальной конструкции в аэродинамической трубе дали хорошие результаты.
Перед началом постройки самолета помимо отдельных деталей конструкции испытывались и его агрегаты. Такой подход давал уверенность в правильности применяемых методов расчета и в надежности работы всей конструкции. Обычно выявлялось хорошее совпадение расчетных и экспериментальных данных, и можно было приступать к сборке. В журнале «Вестник Воздушного Флота» № 2 за 1924 год появилась небольшая заметка: «В ближайшее время будет испытываться второй самолет системы Туполева — пассажирский свободнонесущий моноплан с мотором „Бристоль-Люцифер“ в 100 л. с, построенный целиком из кольчугалюминия».
Сборку самолета проводили во дворе пустующего склада (где была оборудована мастерская для изготовления отдельных агрегатов), под навесом. В мае 1924 года готовый АНТ-2 был перевезен на Центральный аэродром. Первые пробные полеты на АНТ-2 летчик Н. И. Петров совершил 26 мая 1924 года. Роль «пассажиров» выполняли два мешка с песком.
Удачные полеты позволили А. Н. Туполеву обратиться на следующий день в Научный комитет Главвоздухофлота с письмом: «ЦАГИ настоящим сообщает об окончании постройки металлического самолета с мотором „Люцифер“ и просит Вашего разрешения о допуске к испытанию его на Центральном аэродроме».
Официальные испытания АНТ-2 проходили 26 мая 1924 года в присутствии руководства У ВВС и ЦАГИ. На мерном километре была достигнута скорость 169,7 км/ч. Самолет с двумя пассажирами поднимался на высоту тысяча метров за семь минут, а на 3 тысячи метров — за 39 минут, но это был не «потолок». В перегрузочном режиме (с тремя пассажирами) высота 2 тысячи метров была достигнута за 25 минут. С 11 июня АНТ-2 летал уже с пассажирами — начались эксплуатационные испытания. Выяснилось, что у машины недостаточна путевая устойчивость. Для ее повышения увеличили площадь киля. После окончания испытаний самолет передали в УВВС.
В заметке «Первый советский металлический самолет» «Вестника Воздушного Флота» (№ 6–7 за 1924 год) было сказано: «26 мая на Центральном аэродроме им. т. Троцкого в Москве испытывался новый пассажирский самолет АНТ-2, выстроенный Центральным Аэрогидродинамическим Институтом по проекту инж. А. Н. Туполева. Самолет выстроен целиком из русского металла — кольчугалюминия, представляет он собой свободнонесущий моноплан весьма оригинальных, прекрасно обтекаемых очертаний. В передней части фюзеляжа установлен мотор „Бристоль-Люцифер“ в 100 л. с, за ним расположено помещение для пилота и далее кабина для двух пассажиров. Мотор для удобства ремонта легко открывается. Все тяги управления жесткие. Самолет показал прекрасные полетные качества».
АНТ-2 участвовал 1 июля 1924 года в воздушном параде по случаю торжественной передачи XIII съездом партии эскадрилье имени В. И. Ленина 19 самолетов-разведчиков Р-1, приобретенных на средства Общества друзей воздушного флота (ОДВФ). АНТ-2 летел на правом фланге своих иностранных собратьев — металлических Ю-13 —и выделялся «необычностью конструкции и легким изящным видом».
По достоинству оценила АНТ-2 и коллегия Научно-технического отдела ВСНХ. По ее решению, принятому 7 августа 1924 года, А. Н. Туполев «за конструирование и постройку первого русского цельнометаллического самолета» был направлен в январе 1925 года в свою первую заграничную командировку — в Германию и Францию.