Все работы по созданию «У-2» проводились в атмосфере абсолютной секретности. Авиационная база Райт-Петтерсон в штате Огайо, по воспоминаниям очевидцев, охранялась так же тщательно, как ядерный центр в Лос-Аламосе. Практически все соприкасавшиеся с проектом люди, не исключая и сотрудников ЦРУ, прошли серьезную проверку на детекторе лжи. Руководил всей программой Р. Биссел, заместитель директора ЦРУ. Построенный самолет быстро прошел необходимые летные испытания, и уже 1 августа 1955 года «У-2» официально совершал первый вылет. Для эксплуатации самолетов-разведчиков в Центральном разведывательном управлении было создано сверхсекретное подразделение «10-10», специальное подразделение воздушной разведки. Часть других «У-2» предоставили НАСА, и несколько самолетов передали 4028-й эскадрилье 4080-го разведывательного авиакрыла стратегического авиационного командования ВВС США.
Понимая, что необычный самолет рано или поздно привлечет к себе внимание, А. Даллес запустил в прессу упреждающую дезинформацию. Об «У-2» сообщалось, что он предназначен для исследования погоды и принадлежит НАСА, что созданы три эскадрильи для изучения метеорологической обстановки, расположенные на базах в Атсу (Япония), Инджирлик (Турция) и Эдварс (США). (В действительности же основные силы подразделения «10-10» первоначально размещались в Западной Германии.) После отвлекающей дымовой завесы в середине 1956 года А.Даллес получил разрешение Эйзенхауэра на проведение разведывательных полетов «У-2» над территорией СССР. Президент, конечно же, отдавал себе отчет, что речь идет о грубом нарушении государственного суверенитета Советского Союза, но не мог устоять перед соблазном получить качественно новую развединформацию о главном противнике. Вся операция, первоначально задумывавшаяся как кратковременная, получила в ЦРУ кодовое наименование «Перелет».
Первый полет «У-2» над советской территорией состоялся 4 июля 1956 года. Самолет взлетел с американской авиабазы в Висбадене (ФРГ) и пролетел над Москвой, Ленинградом и Прибалтикой. В отчете говорилось, что самолет-шпион «прошел над двумя наиболее серьезно обороняемыми районами в мире. Полет был удачен. Советская система ПВО не открыла огня». Фотографии, сделанные новейшими фотокамерами с фокусным расстоянием в 90 см, поразили специалистов качеством изображения. Руководитель проекта Р. Биссел отмечал: «Детали были видны настолько четко, что можно было прочесть хвостовые номера на бомбардировщиках».
Окрыленное первым успехом, германское подразделение «10-10» в том же месяце провело еще пять разведывательных полетов над территорией СССР. Самолеты вторгались в советское воздушное пространство на высоте свыше 20 км, большую часть времени планировали с выключенными двигателями, радиопереговоров в эфире не вели. В результате этих полетов аналитики ЦРУ, после расшифровки фотографий, смогли вскрыть многие элементы советской системы ПВО, принципы ее действия, установить аэродромы истребителей-перехватчиков, расположение зенитной артиллерии и радиолокационных станций. Помимо этого, были сфотографированы базы советского ВМФ и другие важные объекты. Сколько всего полётов «У-2» было совершено над территорией Советского Союза, точных данных нет. По мнению одних исследователей, за время с 1956 по 1960 год было 30 таких полетов. Другие, подсчитавшие полеты всех американских самолетов-разведчиков, а не только одних «У-2», за Шлет, начиная с апреля 1950 года, полагают, что американцы 81 раз вторгались в воздушное пространство и территориальные воды СССР. По их же данным, 20 самолетов США так никогда и не вернулись на базы.