Впрочем, установленная броня "держала" лишь пули винтовочного калибра, но не крупнокалиберные пули, и тем более, не снаряды немецких пушек "Эрликон" (MG FF) и "Маузер" (MG 151). Стрелки Пе-2 в среднем в 10 раз чаще получали ранения в туловище по сравнению с пилотами, а погибали в 2-3 раза чаще.
Еще одним способом повышения живучести самолета стала доработка бензобаков. Она велась по двум направлениям: совершенствование протектирования и замена дюралевых баков более стойкими фибровыми, а также оснащение системой заполнения инертным газом. Если на Пе-2 первых серий в левой мотогондоле устанавливались два баллона с азотом и вся система включалась в работу перед полетом, что вело к повышенному расходу дефицитного в условиях фронта азота, то позднее бензобаки стали заполнять охлажденными и очищенными выхлопными газами, забираемыми из коллекторов моторов. В полете эта система включалась и отключалась по желанию экипажа.
В конце лета – начале осени 1941 г. качество выпускаемых серийных Пе-2 слегка ухудшилось, но все же оставалось приличным. Испытанный в августе-сентябре в НИИ ВВС серийный Пе- 2 завода № 22 с номером 10/35 показал на высоте 5000 м максимальную скорость 530 км/ч, а у земли – 445 км/ч. Немного увеличились время набора высоты 5000 м (10 мин) и посадочная скорость (145 км/ч). Данные в целом соответствовали данным опытной машины завода № 39. Хотя нормальный полетный вес против опытного образца возрос на 200 кг и составил 7700 кг, максимальная скорость на высоте 5000 м была всего на 10 км/ч меньше, что объяснялось в основном меньшим открытием заслонок радиаторов опытной машины (ее испытывали зимой), скороподъемность и потолок практически ничем не отличались от опытного самолета.
Эти цифры получили во время испытаний самолета при полной заправке и снаряжении, но без бомб на наружной подвеске. Чтобы иметь возможность сравнивать показатели, Пе-2 и в дальнейшем испытывали в таком виде. Естественно, установка ухватов и замков, подвеска на них бомб снижали максимальные скорости "пешек". Так, только за счет установки наружных бомбодержателей и ухватов для бомб максимальная скорость на высоте 5000 м уменьшалась до 508 км/ч, а подвеска двух ФАБ-250 снизила ее до 492 км/ч. Такая скорость уже не позволяла бомбардировщику уйти от атак истребителей Bf 109Е и особенно Bf 109F. Но после сброса бомб Пе-2 "мессершмитт" мог догнать его, только пролетев значительное расстояние. Часто для ухода экипажи применяли пикирование или пологое снижение, при котором бомбардировщик сильно разгонялся.
Примерно в это же время, в июле 1941 г., на самолеты завода № 22 стали ставить усовершенствованные моторы М-105РА с беспоплавковыми карбюраторами. С этим двигателем машина лучше вела себя на пикировании. Массовое внедрение М-105РА началось с 22-й серии. На новых моторах удалось избавиться от некоторых дефектов М-105Р. Последние зачастую снимались с самолетов задолго до выработки положенного 100-часового ресурса. Причиной являлось уменьшение степени сжатия из- за износа и разрушения поршневых колец и самих цилиндров.
С июля 1941 г. начался резкий рост выпуска Пе-2. Здесь сыграло свою роли и подключение к московским заводам I казанского и иркутского. Если в мае- июне ежедневно сдавали военным по пять машин, то в июле-сентябре – уже по девять. Появилась возможность создания резерва "пешек", куда планировалось ежемесячно направлять по 15 бомбардировщиков. Полки из резерва собирались потом отправлять на наиболее опасные направления. Однако расширение базы производства привело к появлению новых проблем. Так, на фронте столкнулись с невозможностью обеспечения взаимозаменяемости деталей и агрегатов, что затрудняло ремонт самолетов, особенно если приходилось монтировать агрегаты одного завода на самолеты другого. А положение с запчастями к Пе-2 обстояло очень тревожно, и часто выбирать было не из чего.
В октябре-ноябре 1941 г. к уже привычным трудностям военного времени (нехватке материалов, электроэнергии и квалифицированной рабочей силы) добавилась еще одна – эвакуация основных заводов-производителей Пе-2 на восток. Москва в это время подвергалась налетам германской авиации. В результате одного из них в августе на летном поле Тушинского аэродрома были сожжены три "свежеиспеченных" самолета выпуска завода № 22. Кроме того, роста производства Пе-2 в это время уже не наблюдалось, а наоборот, произошло его снижение.