Задание на самолет неоднократно корректировалось: в частности, в 1928 г. предполагалось спроектировать и построить ночной двухместный истребитель НД-2, а самим Поликарповым прорабатывался проект Д-2 с двигателем воздушного охлаждения "Юпитер". Однако эти варианты так и остались на бумаге, а первоначально задуманный Д-2 построили. Этот самолет, конструктивно повторял одноместный истребитель И-3. Конструкция смешанная, фюзеляж - деревянный монокок, крылья деревянные с полотняной обшивкой, хвостовое оперение и элероны дюралевые, обшиты полотном. Вооружение состояло из двух синхронных пулеметов ПВ-1 и одного-двух пулеметов ДА на кормовой оборонительной установке.

Д-2 с двигателем БМВ-6 построили на московском заводе № 25 весной 1929 г. Заводские испытания велись с 15 марта по июль 1929 г. Самолет облетывал Б. Л. Бухгольц; по его мнению, Д-2 не уступал по свои характеристикам большинству зарубежных одноместных истребителей, а при установке более мощного вооружения мог бы стать более эффективным, чем одноместные машины. Вместе с тем Бухгольц отмечал, что Д-2 по причине значительной задней центровки имеет неудовлетворительные характеристики штопора.

После проведенных испытаний самолет длительное время - практически в течение года - оставался невостребованным и никаким переделкам не подвергался. За это время арестовали Поликарпова, а авиазавод № 25 включили в состав авиазавода № 39. Весной 1930 г. для улучшения характеристик штопора на Д-2 смонтировали новое V-образное хвостовое оперение, размещенное под углом 8 градусов к горизонту (подобная схема хвостового оперения использовалась в Советском Союзе впервые). Кроме того, на самолете установили оборонительную турель ТУР-7, представляющую собой уменьшенную ТУР-6 (внутренний диаметр турельного кольца уменьшился с 710 до 636 мм). Поначалу на ТУР-7 стояла спарка пулеметов "Льюис", затем ее заменили одним пулеметом ДА.

13 июля 1930 г. первый полет на Д-2 с V-образным оперением выполнил летчик Козлов, после чего самолет несколько дней доводился, а затем поступил для продолжения испытаний в НИИ ВВС. Здесь самолет последовательно облетали Бухгольц, Жуков и Писаренко. Интересно, что каких-либо отзывов о новом оперении оставлено не было; известно лишь, что Бухгольц улучшений в технике пилотирования самолета не отметил. В целом самолет оценивался очень хорошо, - как полноценный боевой аппарат.

В конце июля 1930 г. к испытаниям Д-2 приступил летчик-испытатель Владимир Иванович Чекарев. Общий налет его на этом самолете составил 6 часов 48 минут. 4 августа 1930 г. Чекарев получил задание на проверку управляемости Д-2 на высоте 3000 м. Однако первый полет в этот день он совместно с наблюдателем Василием Ивановичем Благонадеждиным выполнил на достижение максимального потолка самолета. Вооружившись кислородными приборами, пилоты "взяли" высоту 7170 метров. Затем после короткого отдыха начали готовиться ко второму полету. В этот день полетами руководил начальник 1-й бригады истребительного отдела НИИ ВВС Николай Алексеевич Жемчужин; по его свидетельству, Чекарев, отправляясь во второй полет, сказал: "Я его теперь поломаю как следует". Имелось в виду, что летчик испробует самолет на максимальные перегрузки. Жемчужин в ответ заметил: "Брось ерунду делать, это тебе не ВТ" (ВТ - опытный истребитель И-5). Среди свидетелей, наблюдавших с земли полет самолета Д-2, находились помощник Начальника ЦКБ завода № 39 Д. П. Григорович и заместитель Начальника ЦКБ И. М. Артамонов. По их показаниям, после выполнения задания самолет вышел из облаков на высоте 1200 м, затем снизился спиралью до высоты 300 м и продолжал снижаться на высокой скорости до высоты 100 метров. Наблюдатели заметили сильную вибрацию хвостового оперения и последующее разрушение правой его половины; вслед за этим разрушилась коробка крыльев, и самолет врезался в землю. Экипаж погиб. Летчик Чекарев и наблюдатель Благонадеждин имели парашюты, однако воспользоваться ими не успели: высота была слишком мала.

Вибрацию оперения испытатели отмечали и ранее, однако серьезного значения этому не придавалось: считалось, что подъем оперения вверх привел к тому, что оно попало в возмущенную зону от крыла самолета. Резкое пилотирование самолета привело к частичному разрушению узлов крепления оперения, а продолжающиеся вибрации довершили его поломку, что и привело к катастрофе.

Несмотря на потерю опытного экземпляра Д-2, работы но двухместным истребителям продолжились. В соответствии с требованиями ВВС началась разработка самолета ДИ-2 (иногда обозначался ИД-BMBVI), предназначенного для воздушного боя и разведки. Первоначально его вооружение состояло из двух синхронных пулеметов; еще два были установлены на турели для защиты задней полусферы. Полноразмерный макет был представлен к осмотру 8 октября 1930 г., однако самолет все же не был построен: на очереди был уже следующий вариант - ДИ-3, с которым связывались определенные надежды.