Самолёт СЗ-2 («Сталинское задание второй») первоначально имел обозначение АНТ-51.

Самолет СЗ-2 представлял собой свободнонесущий моноплан с низкорасположенным крылом и убирающимся шасси. Конструкция самолета цельнометаллическая.

Фюзеляж - монокок с толстой обшивкой и поперечным набором из 22 шпангоутов. Продольный набор фюзеляжа состоял из четырех лонжеронов и набора стрингеров. К переднему шпангоуту крепились стальные узлы моторамы. Между первым и четвертым шпангоутами располагался фюзеляжный бензиновый бак. В средней части фюзеляжа находилась кабина летчика и штурмана (последний выполнял роль стрелка-радиста). Под кабиной летчика между лонжеронами центроплана размещался бомбоотсек, обеспечивавший загрузку самолета бомбами на кассетных держателях. Перед кабиной и в консолях крыла конструктор разместил семь протестированных (новинка того времени) топливных баков общей емкостью 1342 л, что обеспечивало самолету крейсерскую дальность полета свыше 1000 км.

Кабина летчика закрывалась обтекаемым фонарем с неподвижным козырьком и сдвижной средней частью. Подвижная часть фонаря имела сдвигаемую форточку с левой стороны. Неподвижная часть фонаря продолжалась за головой летчика и доходила до экрана турели МВ-5 (в процессе испытаний устанавливали также турель СУ). За экраном крепился обтекатель, который можно было опустить при переводе пулемета в боевое положение.

За кабиной летчика монтировалась приборная доска штурмана, а под ней - радиостанция. Еще ниже устанавливался фотоаппарат, для которого имелся вырезанный во всю ширину пола фотолюк, зашитый оргстеклом.

На боковых частях пола кабины штурмана имелись продольные подножки-ящики, обеспечивающие удобство пользования пулеметами. Внутри этих подножек размещались прицел и мелкие предметы оборудования. В нижней части кабины имелся люк для кинжальной установки.

Обшивка фюзеляжа состояла из вертикальных полос, клепавшихся внахлест потайными заклепками. В конструкции фюзеляжа впервые применили анкерные самоконтрящиеся гайки, самонарезающие шурупы, а также надежные и удобные в эксплуатации замки крышек, обтекателей и люков.

Свободнонесущее крыло трапециевидной формы состояло из центроплана, выполненного заодно с фюзеляжем, и двух отъемных консолей. Каркас элерона - дюралевый, обшивка полотняная; на правом элероне имелся неуправляемый триммер. Свободнонесущий стабилизатор моноблочной конструкции состоял из двух половин. Все рули и элероны имели металлический каркас и полотняную обшивку.

Руль высоты имел весовую и аэродинамическую компенсации и управляемый триммер из листового дюраля, закреплявшийся на шомполе. Киль состоял из двух лонжеронов и нескольких нервюр. Обшивка металлическая. Зализы киля и стабилизатора крепились к фюзеляжу болтами, которые завертывались в самоконтрящиеся анкерные гайки. Управление рулями высоты - жесткое, рулем направления - тросовое, дублированное.

Основные стойки шасси полностью убирались в центроплан и закрывались створками. Каждая нога имела амортизационную стойку, боковой и задний подкосы. Задний подкос при уборке переламывался на две части, а к месту излома шарнирно закреплялся плунжер насоса, который при сжатии заставлял шасси укладываться в центроплан. Стойки имели колеса 750x250 мм. Одновременно с уборкой главных стоек шасси подтягивалось в фюзеляж и хвостовое колесо размерами 300x125 мм.

На самолет устанавливался звездообразный девятицилиндровый двигатель воздушного охлаждения М-62 (опытный) номинальной мощностью у земли 830 л.с. Двигатель закрывался кожухом, состоявшим из двух основных частей: наружного капота и жалюзи. Наружный капот представлял собой кольцо, состоявшее из трех равных частей. Отдельные часта кольца капота закреплялись в тавровых профилях, на концах которых устанавливались замки для затяжки капота.

Жалюзи капота монтировались перед двигателем и закрывали собой всю лобовую часть двигателя. Диск жалюзи крепился на шпильках к передней крышке двигателя и к головкам цилиндров. В диске имелось 18 отверстий для охлаждения.

Винт металлический, двухлопастный ВИШ-6 с автоматической регулировкой постоянного числа оборотов, диаметром 2,8 м. Дюралевый кок винта укреплялся на втулке винта. На кок винта устанавливали храповик для запуска мотора от автостартера.

Вооружение самолета состояло из стрелкового и бомбардировочного. Стрелковое вооружение включало четыре пулемета ШКАС, размещенные попарно в консолях крыла в стрелковых отсеках. Для доступа к ним на верхней поверхности крыла имелись люки (один люк на два пулемета). Боезапас каждого пулемета составлял 750 патронов. Для ведения прицельной стрельбы на капоте перед летчиком устанавливался прицел ПАК-1.

Для защиты задней полусферы у штурмана на вращающейся экранированной турели МВ-5 с прицелом ПМП-3 устанавливался один пулемет ШКАС с боекомплектом 500 патронов.

Бомбардировочное вооружение самолета состояло из трех комплектов держателей, трех сбрасывателей, двух прицелов, установочных приспособлений и приспособлений для загрузки. Бомбы средних калибров (ФАБ-50 и ФАБ-100) подвешивались на кассеты КД-2 в фюзеляже. Две кассеты КД-2 также могли подвешиваться под крыльями. Для бомб крупных калибров (ФАБ-250, ФАБ-500 и РРАБ) служил серийный замок Дер-19, который монтировался под крылом.

Модификации:

АНТ-51 СЗ-1 (АНТ-51, «51», заказ №351) - первый прототип без турели.

СЗ-3 - третий прототип, с двигателем М-87 (позже М-87А, М-87Б), трёхлопастным винтом, уменьшенным запасом топлива.

Су-2 (ББ-1, «изделие Н») - серийный ближний бомбардировщик с двигателем М-88Б (на самолётах первых серий М-87Б, М-88).