Двигатели М-105ПФ ставились на фронте и на машины более раннего выпуска. Поскольку капоты моторов РА и ПФ не были взаимозаменяемы, то старые капоты разрезали и приклепывали к ним новые самодельные секции. Всего за 1942 г. два завода, № 22 и № 39, выпустили больше самолетов, чем годом раньше четыре завода – 2392 экземпляра. Трудоемкость изготовления одной машины снизили до 13,2 тыс. человеко- часов по сравнению с 25,3 тыс. в 1941 г. Это произошло отчасти за счет упрощения конструкции отдельных узлов, снятия части оборудования. Например, с осени 1941 г. РПК-2 ставили только на один самолет из трех, а затем – только на разведчики. В июле 1942 г. НКАП отдал распоряжение монтировать радиопередатчики только на каждой третьей машине, на остальных – только приемники.
Самолеты с М-105ПФ в массовых количествах не успели попасть на фронт к началу советского контрнаступления под Сталинградом. Но положение здесь и так уже изменилось в нашу пользу: противодействие противника резко ослабло. Дневные бомбардировщики перешли на нанесение сосредоточенных ударов; вместо прежних вылетов тройками и девятками работали крупными группами по 30-70 самолетов. Кроме того, освоили тактику ведения воздушной разведки в глубоком тылу противника одиночными самолетами и парами. Под Сталинградом действовало на 19 ноября 519 Пе-2 – почти половина всех бомбардировщиков. В 8-й воздушной армии их было немного, но к операции было привлечено свыше 200 пикировщиков из резерва Ставки ВГК
Удары пикирующих бомбардировщиков наносили большой ущерб врагу. Например, в период организации немцами "воздушного моста" в Сталинград Пе-2 привлекались к уничтожению немецкой транспортной авиации на аэродромах. 30 декабря 1942 г. шесть Пе-2 из вернувшегося в октябре на фронт 150-го бап сожгли на аэродроме Тормосин 12 немецких трехмоторных самолетов Ju 52/3m. Под Сталинградом на Пе-2 сражались и женщины-летчицы. В декабре 1942 г. свой первый боевой вылет совершили на немецкие позиции в руинах
Сталинградского тракторного завода экипажи 587-го женского бап (впоследствии 125-го гв. бап).
Общее улучшение обстановки сказалось и на потерях "пешек". Противник был морально подавлен, система ПВО его войск и объектов нарушена. В результате части 2-го бомбардировочного авиакорпуса (бак), сражавшиеся на этих бомбардировщиках под Сталинградом, несли потерь примерно в 4,4 раза меньше, чем ранее в среднем. Пе-2 успешно громили немцев и на других фронтах.
Например, в мае 1943 г. 12 пикировщиков из 73-го бап ВВС Балтийского флота разрушили Нарвский мост, резко затруднив снабжение немецких войск под Ленинградом. Мост восстанавливали месяц, поскольку новую ферму пришлось везти из Германии.
Среди основных недостатков действий Пе-2 в тот период надо указать неполную загрузку самолетов. Обычно самолеты несли не более 700 кг бомб, хотя отдельные наиболее подготовленные экипажи летали с 1000 кг бомб (и даже 1200 кг – 779-й бап). Кроме традиционных фугасных, осколочных и зажигательных бомб применялись и более редкие.
Так, в мае 1943 г. перед 34-м бап была поставлена задача разрушения моста через Лугу в районе города Толмачев. Попытки разбомбить мост обычными бомбами с привлечением лучших экипажей закончились безуспешно. Экипаж старшего лейтенанта С.Н. Глинского после нескольких тренировок уничтожил мост, сбросив две мостовые бомбы МАБ-250 с первого захода. Ему не помешало даже то, что на боевом курсе самолет был поврежден огнем зенитной артиллерии противника.
В воздушных боях Пе-2 проявили высокую живучесть. В этом сыграло свою роль и улучшение бронезащиты (за исключением недостаточно защищенного штурмана). Если "пешка" не загоралась, то самолет добирался до аэродрома даже при частичном повреждении управления. Бензобаки, особенно центральный, являлись самым уязвимым местом.
Попадания в них в большинстве случаев вызывали пожар, приводящий к гибели самолета и экипажа.
Несколько лучше себя вели Пе-2, оборудованные второй зоной нейтрального газа, – зачастую экипажу удавалось совершить вынужденную посадку на своей территории. Это смог сделать командир 804-го бап майор Гаврилов, подбитый 16 января 1943 г. зенитками над вражеским объектом.