Comme la version civile, le Skymaster était un avion bimoteur à piston peu coûteux, avec un moteur dans le nez de l'avion et un second moteur à l'arrière du fuselage. La configuration "push-pull" permettait de simplifier la procédure d'utilisation d'un seul moteur grâce à la poussée dans l'axe par rapport au montage commun de l'aile basse de la plupart des avions légers bimoteurs, et permettait également d'avoir une aile haute, offrant une bonne visibilité en dessous et derrière l'avion. Pendant la guerre du Viêt Nam, le Skymaster devait être remplacé dans la mission de contrôle aérien avancé (FAC) par l'OV-10 Bronco, mais l'O-2A a conservé un rôle de mission nocturne après l'introduction de l'OV-10 en raison du niveau élevé d'éclairage du cockpit de l'OV-10, ce qui rendait la reconnaissance nocturne impraticable. L'O-2 a été complètement abandonné après d'autres mises à niveau nocturnes de l'OV-10.

Le premier O-2 a volé en janvier 1967 et l'avion est entré en production peu de temps après, l'USAF en prenant livraison en mars 1967. Au total, 532 O-2 ont été construits en deux variantes pour l'USAF jusqu'en 1970. L'O-2A servait d'avion FAC au sein du 20e escadron de soutien aérien tactique, tandis que l'O-2B était équipé de haut-parleurs et d'un distributeur de tracts pour une utilisation dans le cadre d'opérations psychologiques (PSYOPS). Plusieurs avions O-2 de l'USAF ont ensuite été transférés et exploités par l'ancienne armée de l'air sud-vietnamienne (VNAF).

Après la guerre du Vietnam, l'O-2 a continué à être utilisé par les unités de l'U.S. Air Force et de l'Air National Guard jusqu'à la fin des années 1980.