Московский завод № 39, с осени 1941 г. строивший главным образом истребительный вариант "пешки" Пе-3, эвакуировали в Иркутск, где он вскоре слился с размещенным там заводом № 125. Другой московский завод, № 22, переместился в Казань и был фактически объединен с местным заводом № 124. Конструкторское бюро Петлякова, именовавшееся в это время опытно- конструкторским отделом завода № 22 (ОКО-22), также переехало в Казань. Естественно, что эвакуация не могла не привести к потерям в объеме выпуска пикировщиков.
Если в октябре изготовили 296 Пе-2 и Пе-3, то в ноябре с трудом удалось собрать всего 50 Пе-2, а в декабре – еще 93. Угрожающим было положение со снабжением авиазаводов материалами, деталями, агрегатами.
С перебоями поступали дюралевые листы для обшивки, трубы, профили и другие комплектующие. Поэтому попытки замены отсутствующих изделий и материалов имеющимися в наличии не прекращались ни на минуту. Например, в декабре по заказу военных изготовили партию из 50 винтов АВ-5 с деревянными лопастями. Хотя при этом летные данные несколько снизились (скорость упала на 20-25 км/ч), командование оценило ее как "чрезвычайно важную работу", позволившую не останавливать конвейер.
В дальнейшем у Пе-2 появились и другие деревянные детали.
Для отражения начавшегося в октябре 1941 г. вражеского наступления на Москву от Красной Армии, в том числе от авиации, требовалось величайшее мужество и героизм. "Люфтваффе" по- прежнему имели превосходство в силах, особенно в дневных бомбардировщиках. Каждый Пе-2 был на счету, и для их лучшего использования новые самолеты стали сводить в новые формирования – авиагруппы. К началу оборонительных боев в составе ВВС Западного фронта имелось 95 Пе-2, т. е. 19% всей фронтовой бомбардировочной авиации.
В битве под Москвой перед бомбардировщиками Петлякова ставились наиболее важные задачи, а в ходе боев родились новые приемы применения.
Ухудшение штурманской подготовки летного состава в совокупности с типично осенней непогодой приводили к частым случаям потери ориентиров. Перед хорошо подготовленными летчиками и штурманами 9-го бап, базировавшегося в центре Москвы, была поставлена задача лидирования вновь прибывающих на фронт частей и подразделений истребителей и штурмовиков. Эта задача была непростой особенно во время посадки на фронтовых площадках ограниченных размеров с плохими подходами.
Широкое применение получили под Москвой Пе-2 с реактивными снарядами. Иногда их устанавливали необычно, для стрельбы в сторону, противоположную направлению полета. Учитывая уязвимость бомбардировщиков при атаке сзади, техник А. Помазанский предложил устанавливать таким образом несколько реактивных орудий РО-82. Внезапный пуск снарядов, по замыслу изобретателя, мог сорвать атаку вражеских истребителей. Во 2-м драп в ноябре 1941 г. на всех Пе-2 поставили такие установки.
Ракеты выпускались по одной или залпом, поражая осколками атакующие истребители противника. Пуск осуществлял штурман. Таким способом экипаж летчика Алышева под Вязьмой успешно отразил нападение четырех "мессершмиттов". Впоследствии это предложение прорабатывалось в НИП АВ, где внимательно изучили один из самолетов с двумя РО-82. По мнению специалистов полигона эффективность такой установки была невелика. Это объяснялось двумя причинами: большим рассеянием снарядов, которые имели низкую скорость движения относительно скорости перемещения воздушных масс, и большой временной задержкой взрыва РС-82 (минимально – 3,5 с), что обусловливало его подрыв в 450-500 м от самолета. Естественно, прицельная стрельба в таких условиях оказалась невозможной, и установка широкого распространения не получила. Основное же применение реактивные снаряды нашли при борьбе с танками противника. Пуск производился парой или четверкой снарядов с пологого пикирования.
Инициатива в разработке методики применения PC-132 по бронетехнике принадлежала инспектору по технике пилотирования ВВС Московского военного округа майору Карпенко.
В ходе контрнаступления Красной Армии под Москвой, начавшегося 5 декабря, Пе-2 уже играли заметную роль. 172 Пе-2 (из них 114 боеспособных) составляли 29% всей использованной в этой операции бомбардировочной авиации. Они выполняли разнообразные боевые задачи, но основное внимание уделяли поражению гитлеровских войск и техники на поле боя – на это уходило более трех четвертей всех самолето-вылетов.
В начале 1942 г. командованием советских ВВС были подведены первые итоги применения Пе-2. К этому времени летный и технический состав уже неплохо освоили этот бомбардировщик, а материальная часть в бою работала безотказно и надежно как летом, так и зимой. Появились самолеты, у которых моторы М-105Р выработали положенный 100-часовой ресурс. В значительной мере это было связано с интенсивной боевой деятельностью. Так, в 43-й авиадивизии "пешки" совершали в день по три-четыре вылета, находясь в воздухе по 4-5,5 ч.