第二天7月5日，卡迈·维托驾驶U-2飞过莫斯科。这座城市被云层覆盖，不过相机通过雾霾滤镜还是拍到了一些照片。这次任务还获得了莫斯科附近茹科夫斯基航空城以及一些火箭和飞机工厂的高质量图像。U-2在7月9日和10日又进行了三次任务，覆盖了东欧和苏联西部大部分地区。
卡迈·维托成为唯一飞越了莫斯科的U-2飞行员
U-2的7月4、5日任务航线
随后对苏飞越被叫停，因为尽管中情局寄希望于苏联雷达无法发现飞在高空的娇小U-2，但该机在所有飞越任务中都被发现和跟踪，苏联人甚至在7月5日紧急出动截击机试图击落卡迈·维托，但因无法触及如此之高的目标而作罢。
卡迈·维托拍到的制造“野牛”战略轰炸机的工厂
1956年7月10日，苏联向美国递交了一份正式抗议，详细描述了U-2侵入苏联领空的一些飞行轨迹，当天理查德·比塞尔接到了暂停任务的命令。
U-2的7月9、10日任务航线
U-2的对苏飞越带回大量情报，照片表明苏联空军的战略核打击能力被严重夸大，“野牛”轰炸机的数量远小于苏联声称的100架。事实上多年之后的解密数据证明“野牛”也远称不上可怕，其航程根本达不到苏联空军的要求。
中情局的U-2飞行员
“秋千”和“壁纸”
苏联能发现并跟踪U-2的事实立即引发中情局的焦虑，开始尝试降低U-2的雷达截面积，让该机不那么容易被苏联防空雷达发现。该项目就是麻省理工学院牵头的“彩虹”项目（RAINBOW），科学家们提出了两种得到实际应用的隐身解决方案，分别是“秋千”（Trapeze）和“壁纸”（Wallpaper）。
现在看来，“秋千”方案有些荒谬，先是用竹子然后用玻璃纤维制造的支柱在机身和机翼周围撑起串有精确间隔铁氧体磁珠的导线，用于吸收70MHz雷达波。但“秋千”增加了U-2的重量和阻力，降低了飞行高度。
U-2的“秋千”隐身改进
“壁纸”就是印刷了电路的塑料贴片，被用于吸收65MHz至85MHz的雷达波，被贴在机头、尾翼和机身等部位。“壁纸”的缺点是会导致发动机过热，实际上1957年4月一架贴有“壁纸”的U-2A就因过热而导致发动机熄火，使洛克希德试飞员罗伯特·斯莱克在跳伞时撞到了尾翼身亡。
U-2的“壁纸”隐身改进
毫不奇怪，“凯利”约翰逊不喜欢“彩虹”项目的隐身改进，把这种U-2称为“脏鸟”。但该机还是从1957年7月开始作战，不幸的是经过九次对苏飞越后，中情局意识到“彩虹”隐身改进几乎完全无效，于是在1958年5月放弃了该项目，U-2的对苏飞越再次被禁止。洛克希德开始为该机尝试使用黑色的雷达吸波涂料（RAM）。
从1956年11月下旬开始，U-2从威斯巴登起飞进行了更多架次间谍飞行，但为了降低风险该机只是靠近边界飞行。5月中情局在土耳其因吉尔利克空军基地部署了B支队，U-2从这里飞越西奈半岛，侦察英法军队对埃及的入侵。1957年B支队接管了对东方国家的侦察任务，该支队在年底前合并入A支队，一些越境飞行将从巴基斯坦拉合尔起飞。
中情局U-2除了垂尾编号外没有其他任何标记
英国人也参与了该计划，提供飞行员并获得一架U-2的所有权。英国空军飞行员先是飞越中东，然后又飞越了苏联。除此之外中情局还在日本厚木基地部署了C支队，D支队则驻扎加州爱德华兹空军基地执行国内侦察任务，这是因为格鲁姆湖附近正在进行核试验。
美国空军战略空军司令部（SAC）在德克萨斯州劳克林空军基地建立了自己的U-2部队，即第4080战略侦察联队第4028战略侦察中队，在1957年7月获得了首架U-2A。该中队执行的任务是高空大气采样，部分U-2A经过改装在机鼻增加了一个进气口并在Q舱右下方多出一个整流罩鼓包，这就是用于执行高空样本项目（HASP）的WU-2A，“W”表示气象侦察机。
WU-2A
此时中情局U-2执行了最重要的任务，该机拍摄了苏联境内的一系列战略目标，尤其是哈萨克斯坦拜科努尔火箭发射中心，这里也是丘拉塔姆导弹靶场所在地。D支队也从阿拉斯加的埃尔森空军基地起飞对西伯利亚进行侦察。
1957年以后U-2的对苏飞越次数急剧下降，到1958年只进行了一次，1959是两次，主要是风险较低的目标。虽然U-2在最初的任务中仍裸露着金属蒙皮，但现在已经被黑色的铁氧体雷达吸波涂料所覆盖，以降低其雷达可见性。
全机黑色的中情局U-2B
好运快要到头
到1959年末，美国开始担心苏联洲际弹道导弹（ICBM）的发展，因为从斯普特尼克1号人造卫星开始，苏联使用R-7火箭进行了许多令人印象深刻的太空发射，这种火箭能派生出搭载核弹头的洲际弹道导弹。苏联总理尼基塔·赫鲁晓夫也大声宣布苏联已经具备了大规模生产洲际弹道导弹的能力。苏联和美国之间的“导弹差距”似乎正在加大，这必须通过侦察验证。此时中情局正在进行一个代号“日冕”（CORONA）的间谍卫星计划，但发射并不顺利，必须还要依靠U-2。
参与U-2项目的每个人都知道，苏联最终将发展出击落该机的能力。到1960年初，苏联开始大规模部署SA-2“导线”地空导弹，这种导弹具有了攻击高空U-2的能力。不过中情局认为值得赌一把，U-2可以从巴基斯坦起飞，利用苏联南部国土防空网络薄弱的机会来执行最后一系列飞越。事实证明，美国人的好运到头了……
发射中的SA-2地空导弹