Серийный тяжелый танк с противоснарядным бронированием КВ-2 был спроектирован в Ленинграде на Кировском заводе под руководством Ж. Я. Котина и изготовлен в феврале 1940 года. Старшим группы проектировщиков был Н. Л. Духов. КВ-2 предназначался для прорыва сильно укрепленных оборонительных полос (разрушения стрельбой прямой наводкой дотов и дзотов), для усиления подразделений, вооруженных легкими и средними танками.

Особенностью этой машины была установка в башне увеличенных размеров (по сравнению с КВ-1) 152-мм гаубицы М-10 образца 1938-1940 годов. Для мировой практики танкостроения того времени это был уникальный случай. Испытания танка боевой стрельбой проводили на траншейном стенде прямо на территории завода. Никто не знал, как поведет себя танк после выстрела из орудия такого калибра. Стреляли из положения по борту, то есть наиболее опасного для опрокидывания машины. Эксперимент прошел удачно, танк не опрокинулся, а двигатель завелся с первой попытки.

Кроме гаубицы танк КВ-2 был вооружен еще и тремя 7,62-мм танковыми пулеметами ДТ (спаренный с гаубицей; в шаровой опоре в кормовой стенке башни; в лобовом листе подбашенной коробки слева от механика-водителя).

Гаубица имела по тому времени сравнительно высокие показатели. Ее бронебойный снаряд (морская граната) массой 52 кг с начальной скоростью 436 м/с пробивал броневую плиту толщиной 72 мм на дистанции 1500 м под углом встречи 60°. Для стрельбы по железобетонным укреплениям имелся бетонобойный снаряд массой 40 кг с начальной скоростью 530 м/с. Углы наведения гаубицы по горизонтали 360°, по вертикали от -5° до +12°. Для вертикальной наводки применялся секторный механизм. Стрельба велась с использованием телескопического прицела Т-5 (ТОД-9) или перископического прицела ПТ-5 (ПТ-9). Боекомплект танка состоял из 36 артиллерийских выстрелов раздельного заряжания и 3087 патронов к пулеметам ДТ (49 магазинов).

В кормовой части башни располагался люк для загрузки боеприпасов, на крыше имелись люки для посадки экипажа, приборы наблюдения и вентиляторы. На боковых стенках — скобы для подъема на крышу и амбразуры для стрельбы из личного оружия, закрываемые изнутри коническими пробками, Такая же амбразура была на дверце кормовой стенки башни. Управление поворотом башни осуществлялось при помощи механического и электрического приводов.

Бронирование танка было изменено по сравнению с КВ-1. Оно состояло из броневых катаных листов толщиной 75 мм (лобовая часть, борта и башня), 60 мм (кормовая часть), 40 мм (днище) и 30 мм (крыша), соединяемых электросваркой. Двигатель, трансмиссия и ходовая часть, а также средства внешней и внутренней связи танка унифицированы с КВ-1.

При боевой массе 52 т танк отличался неплохой для его типа профильной проходимостью, сопоставимой с КВ-1. Его запас хода по топливу по шоссе составлял 250 км, средняя скорость движения — 20 км/ч.

Экипаж состоял из шести человек: командира, механика-водителя, командира орудия (наводчика), замкового, младшего механика-водителя и стрелка-радиста. Механик-водитель и стрелок-радист размещались в передней части корпуса (отделении управления), а остальные члены экипажа — в башне (боевом отделении).

Несколько танков КВ-2 в середине февраля 1940 г. проходили испытания при прорыве линии Маннергейма. С помощью артиллерийского огня ими были сделаны проходы в гранитных надолбах и разрушены с близкого расстояния доты, мешавшие продвижению стрелковых подразделений. Броня танков выдержала при этом сильный огонь противотанковой артиллерии противника. В частности, один из танков получил 48 вмятин от попадания снарядов, но остался в строю. После успешного завершения испытаний КВ-2 был принят на вооружение и находился в серийном производстве до второй половины 1941 года.