Первый этап улучшений "пешки" (им руководил Г.С. Бюшгенс) был связан с доработкой самолета № 19/78, поступившего на испытания в ЛИИ еще в мае 1942 г. Эта серийная машина, оснащенная моторами М-105РА с винтами ВИШ-61Б, при полетном весе 7650 кг показала тогда у земли максимальную скорость полета 424 км/ч, а на высоте 4650 м (вторая граница высотности двигателя) – 503 км/ч, то есть на 27 км/ч меньше принятого за эталон самолета № 10/35. Это обстоятельство стало предметом пристального исследования, а в сентябре 1942 г. самолет № 19/78 испытали уже в несколько усовершенствованном виде.
Изменения сводились к следующему: была улучшена подгонка щитков, капотов, лючков, сопряжений частей фюзеляжа, крыльевых зализов. Обеспечили лучшую герметизацию всего самолета, изменили форму туннелей маслорадиаторов, установили всасывающие патрубки карбюраторов с улучшенной аэродинамической формой, а также выполнили ряд мероприятий по уменьшению сопротивления мелких деталей. Наконец, самолет заново окрасили.
В результате внесения перечисленных выше усовершенствований максимальная скорость полета у земли возросла на 25 км/час, а на второй границе высотности – на 28 км/час, достигнув 531 км/час. В марте 1943 г. этот же самолет был испытан в третий раз, причем на нем дополнительно сделали следующие изменения: установили индивидуальные реактивные выхлопные патрубки, а вместо жалюзи на входе тоннелей водорадиаторов – установили заслонки типа ЦАГИ, изменили форму входного отверстия туннелей водорадиаторов, рамку антенны РПК-10 перенесли внутрь фанерного кока Ф-1. Крыло машины за- шпатлевали и в третий раз окрасили. С такими улучшениями самолет добавил в скорости еще примерно 20 км/ч у земли (469 км/ч) и 16 км/ч на второй границе высотности (4650 м), перекрыв результат головного серийного Пе-2 на 7 км/ч.
Полностью внедрить в серию все предложенные ЦАГИ изменения не удалось (да и не все они оправдали себя), однако часть улучшений была внедрена в производство с августа 1943 г. (начиная с 205-й серии, главным образом). Помимо указанных выше изменений с того же времени на самолеты Пе-2 стали устанавливать обтекатели на тормозные решетки и новый однолопастный компенсатор турели ВУБ-1, а вот от шпатлевки крыла с целью улучшения качества поверхности пришлось отказаться – покрытие на тонкой металлической обшивке оказалось нестойким и начинало крошиться через 3-5 ч полета.
Кроме этого на 205-й серии сделали другую нижнюю крышку капота мотора, поставили новые всасывающие патрубки, переместили вперед мачту радиоантенны вместе с трубкой приемника воздушного давления, улучшили стыковку фонаря и турели ВУБ-1. Начиная с этой же серии на 100 самолетах установили индивидуальные реактивные выхлопные патрубки (по два одиночных и два спаренных с каждой стороны) вместо стоявших ранее коллекторов. Чуть позднее, па 211 -й серии, убрали внутрь крыла балки наружных бомбодержателей, ранее располагавшиеся в выступах под крылом.
То, что с марта 1943 г. бомбардировщики Пе-2 стали выпускаться исключительно с мотором М-105ПФ, привело к уменьшению высотности "пешек" примерно на 1000 м. Серийный самолет № 19/205 с полетным весом 8550 кг на испытаниях в ЛИИ в августе 1943 г. развил на высоте 3700 м максимальную скорость полета 521 км/ч; его моторы работали на винты марки ВИШ-61Б, обычные для машин того времени. Между тем по результатам испытаний самолета № 5/118 было уже известно, что из трех опробованных винтов – ВИШ- 61Б диаметром 3,2 м, ВИШ-61П и ВИШ-105СВ диаметром 3 м – первый обеспечивал наихудшие скоростные показатели. Однако пушечный мотор имел иное, чем М- 105РА, передаточное число редуктора и поэтому для увеличения максимальной скорости оптимальным являлся винт ВИШ-61П. Было принято решение устанавливать на улучшенных машинах именно эти винты, что и было реализовано с 211-й серии. Но почти сразу же выяснилось, что винты ВИШ- 61 обеих модификаций не обеспечивали горизонтального полета Пе-2 на одном моторе (в случае отказа второго).