Лейтенант Л.В. Жолудев, летавший на Пе-2, так вспоминал о своем первом вылете:
Летом 1941-го у Пе-2 появился достойный «брат-близнец» – истребитель Пе-3, создававшийся специально для обороны Москвы и совершивший первый полет 7 августа. От бомбардировщика Пе-3 отличался отсутствием бомбодержателей, тормозных решеток, автомата пикирования и другой аппаратуры, наличием дополнительных топливных баков и двух дополнительных пулеметов. Еще лучше была вооружена модификация Пе-3бис, оснащенная пушкой ШВАК и тремя крупнокалиберными пулеметами УБТ. Пе-3 и Пе-3бис успешно применялись в качестве ночных истребителей, перехватчиков, фоторазведчиков. Использовали их и как бомбардировщики: так, Пе-3 вместе со звеном Ер-2 23 сентября 1941-го исключительно удачно бомбили станцию Старая Русса, после чего движение на этой ветке было парализовано на три дня, а командир группы Пе-3 А.Г. Рогов получил звание Героя Советского Союза. А 24 октября 27 самолетов Пе-3 под прикрытием МиГов-3 вылетели на бомбежку захваченного врагом аэродрома Калинин. На подходе к цели зенитным огнем был подбит Пе-3 старшего лейтенанта А. Крутилина, и летчик самоотверженно бросил горящую машину в «огненный таран». Остальные Пе-3 пошли в атаку. В итоге на аэродроме Калинин было уничтожено 30 самолетов люфтваффе, наши потери составили пять «пешек».
Но широко распространенными Пе-3 все же не стали: в 1943 году на фронте действовал только один полк, вооруженный такими машинами. Этот самолет выпускался в Москве, Казани и Иркутске до 1944 года.
1942 год начался с трагического события: 12 января в авиакатастрофе на Пе-2 погиб его создатель Владимир Михайлович Петляков. Но количество созданных им самолетов в ВВС неуклонно росло, их выпускали четыре завода (к концу войны – шесть), появились авиационные корпуса, целиком вооруженные «пешками». Росло и мастерство летчиков, работавших на Пе-2. Если сначала пикировщики применяли тактику «троек» и «девяток», то с 1942 года на фронтах постепенно внедрялась разработанная в 150-м бомбардировочном полку полковника И.С. Полбина «вертушка» – огромное «колесо» из нескольких десятков Пе-2, которые выстраивались в круг и, прикрывая друг друга с тыла, прицельно бомбили наземные цели. Использование «пешек» было очень эффективным и временами играло стратегически важную роль в той или иной операции.
Некоторые экипажи Пе-2 навсегда вписали свои имена в историю войны. Известно о нескольких «огненных таранах», совершенных на этих самолетах. Были и поистине уникальные случаи. Так, во время боя 9 сентября 1942 года командир Пе-2 капитан П.П. Самсонов был ранен пулей в глаз, но штурман лейтенант А.Л. Дюндик помог пилоту увести машину от преследовавших ее истребителей и довести ее до аэродрома, а стрелок-радист старшина Р.С. Хабаров метким пулеметным огнем пресекал все попытки «немцев» сбить машину.
Конструкция Пе-2 позволяла с успехом использовать его в качестве разведчика: самолет стандартно оборудовался фотоустановкой АФА-Б, и, таким образом, разведку мог вести любой бомбардировщик. С августа 1941 года существовал и специальный вариант Пе-2Р без бомб и тормозных решеток, с дополнительными баками. Они сводились в отдельные разведывательные авиаполки. В течение 1944–1945 годах был выпущен также 671 учебный Пе-2У с двумя пилотскими кабинами и дублированным управлением, на них успело пройти обучение около семи тысяч летчиков.