Серьезным испытанием и для летчиков, и для боевых машин стало их участие в оборонительном сражении под Сталинградом. Немногочисленные Пе- 2 бомбили моторизованные колонны немцев в излучине Дона и большое внимание уделяли воздушной разведке. В то же время они наносили крайне мало ударов но вражеским аэродромам, железнодорожным и автомобильным магистралям, т. е. почти не вели борьбу с оперативными резервами врага.
"Люфтваффе" по-прежнему были очень сильны. Поэтому за июль 1942 г. убыль 8-ой воздушной армии составила 46 Пе-2. Причем один был сбит в бою, один – зенитками, один сгорел на аэродроме, а 24 значились "не вернувшимися с боевого задания" (остальные были повреждены и сданы в ремонт). По-видимому, отставшие от основного строя экипажи были потеряны либо уничтожены. Отсутствие текущего пополнения позволило противнику быстро обескровить полки бомбардировочной авиации. 86-й, 99-й, 140-й, 275-й, 279-й, 797-й бомбардировочные полки, в разное время входившие в 270-ю бад полковника С.А. Егорова, по очереди отводились в тыл на переформирование. Такая практика, препятствовавшая накоплению боевого опыта, привела к тому, что потери экипажей "пешек" оказались значительно выше (на каждый самолетовылет), чем у полков, летавших на одномоторных бомбардировщиках Су-2. Подобное положение объяснялось тем, что некоторые пилоты и штурманы из полков, вооруженных Су-2, имели еще довоенную выучку.
Новыми моментами в тактике действий Пе-2 в этот период можно считать переход к бомбометанию с больших высот (порядка 7000-8000 м). Немецкие истребители боев на этих высотах почти не вели, и потери Пе-2 снизились. Обстановка изменилась в октябре 1942 г., когда были отмечены первые случаи атак советских бомбардировщиков сверху с пикирования новыми немецкими истребителями Мессершмитт Bf 109G-1 с гермокабинами. С их помощью противник начал вести активную борьбу и на больших высотах.
Как и ранее, с пикирования Пе-2 бомбили редко. Чаще других применял этот прием 150-й бап подполковника И.С. Полбина. Хотя на переучивание с СБ на Пе-2 полку были отведены весьма сжатые сроки, летчики хорошо освоили новую машину. Экипажи этого полка были в числе немногих, летавших не только днем, но и ночью. В частности, ими было уничтожено крупное бензохранилище в районе станции Морозовской. Интересно, что этот хорошо охраняемый склад был ликвидирован всего парой Пе-2 – самим Полбиным и Л.В. Жолудевым, каждый из которых сбросил по четыре ФАБ-100. Хранилище после атаки горело больше недели.
Вот как описывал этот исключительно удачный удар сам Жолудев: "Уточняю угол пикирования, вношу небольшую поправку и намертво фиксирую штурвал. Теперь Пе-2 несется к земле как снаряд. Впереди, на той же прямой, вижу самолет Полбина. Но вот командир выводит машину из пикирования, и она исчезает за верхним обрезом моего фонаря кабины. И в ту же секунду, когда я нажимаю кнопку сброса бомб, в овраге заметались яркие всполохи, я отчетливо увидел, как одна из цистерн раскололась, лопнула радужным пузырем. Там, куда послал свои бомбы командир, заклубился густой черный дым".
Врагу нанесли большой урон, но и полк Полбина понес значительные потери. Прибыв в составе особой авиагруппы под Сталинград 13 июля, он уже 31-го был вынужден отправиться в тыл на переформирование. Основная причина – одиночные Пе-2 оказались очень уязвимыми при выходе из пикирования. Поэтому необходимо было обеспечить их защиту при заходе на цель и при выходе в горизонтальный полет, а истребителей по-прежнему не хватало.
Осенью общее ухудшение обстановки на фронте, захват немцами обширных пространств вплоть до Волги вызвал резкое снижение объемов и номенклатуры выпускаемых промышленностью дюралюминиевых листов и профилей.
Пришлось в ряде случаев увеличивать толщину обшивки самолета с 0,8 мм до 1 мм или с 1,2 мм до 1,5 мм, что вело к возрастанию веса машины. Поставки листов уменьшенных размеров, наличие в них брака – волнистости и трещин – заставили вводить непредусмотренные исходной конструкцией стыки, часто выполняемые внахлест. Носок консолей стали делать из нескольких кусков. Все это негативно сказалось на летных данных серийных самолетов Пе-2. Скорость на второй границе высотности упала к середине сентября 1942 г. до 494 км/ч. Здесь сказалось и увеличение веса, и технологические погрешности, и новая более громоздкая турель ВУБ-1. Более того, конструкторы зачастую вынуждены были идти на заведомое ухудшение весовых характеристик самолета.
С сентября 1942 г. завод № 22 остался фактически единственным производителем Пе-2. Завод № 39 переключили на постройку Ил-4. Последние 14 пикировщиков сдали там в декабре. Некоторую помощь оказывал завод № 81, рабочие которого в опустевших цехах эвакуированного завода № 22 собирали Пе-2 из привозных деталей и узлов. Всего это предприятие выпустило 42 новых бомбардировщика. Еще девять собрали из узлов, доставленных с разделочных баз, т.е. из частей разбитых самолетов.