Пе-2 нашли разнообразное применение, например, на них проводили ближнюю и дальнюю разведку. Летчики 411- го бап отличились при штурмовке вражеских аэродромов Псков и Карамы- шев. Но, конечно, основным назначением самолета являлась бомбардировка врага. Целями чаще всего были механизированные части, железнодорожные станции, мосты, эшелоны, скопления наземных войск, опорные пункты. При этом бомбометание с пикирования практически не применяли. Техники 603-го авиаполка были первыми, снявшими тормозные решетки с самолетов. Этот шаг мотивировался не столько недостатком опыта у экипажей, сколько сложными метеорологическими условиями поздней осенью и зимой 1941 г., когда высота захода на цель "пешек" колебалась от 200 до 1000 м. С горизонтального полета по растянутым колоннам фашистов наносились чувствительные удары мелкими осколочными бомбами АО-8, АО-15 и АО-25. При этом бомбоотсек загружался не полностью (по весу) и на наружные замки подвешивали ФАБ-50 или ФАБ-100. Стандартная бомбовая нагрузка составляла 600-700 кг, а взлетный вес Пе-2 колебался в пределах 8100-8300 кг.
Среди наиболее существенных недостатков отмечались низкое качество протектора образца 1937 г., который не предохранял от зажигательных пуль, уязвимость самолета при атаках сзади- сверху. По словам штурмана капитана Панченко немецкие истребители начинали вести огонь с дистанции 500 м с пологого пикирования и выходили из атаки на дистанции 250-300 м, когда ШКАС становился относительно эффективен. Стрелки-радисты жаловались на недостаточный боекомплект пулемета Березина: две сотни патронов не позволяли осуществлять попутный обстрел наземных целей при атаке с малых высот. Среди претензий надо отметить жалобы на трудоемкий процесс смены двигателя, на который уходило около 200 человеко-часов, а также сложность замены радиаторов, поврежденных при вынужденных посадках.
Нехватка бомбардировщиков не позволяла осуществлять непрерывное воздействие на противника. В несколько лучшем положении, чем соседи, были соединения ВВС Западного фронта, насчитывавшие 44 Пе-2 в конце ноября 1941 г. и 67 – в начале декабря. Поскольку им помогали резервные авиагруппы Верховного Главнокомандования (ВГК), они могли более массировано и эффективно осуществлять поддержку наступающих войск на главных направлениях. В этот период экипажи Пе-2 действовали исключительно днем.
Первой военной зимой довольно много Пе-2 поставили на лыжи; только за январь 1942 г. лыжное шасси установили на 250 "пешках". Убираемое лыжное шасси впервые опробовали еще на опытном самолете "100". Лыжи подтягивались к мотогондоле и сами фактически становились створками отсека шасси. В отличие от аналогичного варианта Ил-2, у Пе-2 сохранялась обычная гондола от колесного шасси, на которую надевались дополнительные панели. Так же поступили и с убираемой хвостовой лыжей, что позволило ставить на лыжи любой Пе-2. Надо только сказать, что штамповка навесных панелей, имевших сложную форму, вызвала некоторые затруднения на заводах, особенно в Иркутске.
В целом, эксплуатация самолета зимой особых затруднений не вызывала, Чтобы не замерзали маслорадиаторы, масло на ночь сливали. Утром на подготовку к вылету уходило до двух часов. При температуре воздуха -30° двигатели запускали после их прогрева лампой АПЛ-1.
Испытания Пе-2 № 16/11 с убирающимся лыжным шасси закончились в НИИ ВВС в начале февраля 1942 г. Они показали, что техника пилотирования самолета изменилась мало. Надежность лыж и прочность замков для фиксации их в крайних положениях были вполне достаточны. Вызывала сожаление лишь очень большая потеря скорости – до 34 км/ч. Поэтому лыжное ша: си не нашло широкого применения. Вот что сообщали командованию из 603-го бап: "В полку лыжами оборудовали один Пе-2. Для остальных лыж нет, да они особо и не нужны. Проходимость и маневренность Пе-2 даже в глубоком снегу хорошая".
Всего за год четыре серийных завода изготовили 1671 пикировщики 196 истребителей (соответственно завод № 22 – 1120 Пе-2, № 39 – 303 Пе-2 и 196 Пе-3, № 124 – 104 Пе-2 и № 125 – 144 Пе-2). Это позволило внедрить новую машину по всему фронту от Барен- цевого моря до Черного. Их применяли не только полки ВВС, но и части авиации Северного, Балтийского и Черноморского флотов.