Весной 1944 г. бомбардировщики небольшими партиями (по три-пять штук) стали направлять в строевые части для проведения войсковых испытаний. Получала эти машины в основном 8-я заб, которая затем передавала их маршевым полкам, и в разведывательные авиаполки; последние в наиболее полной мере могли использовать скорость и потолок новой модификации "пешки". Такие самолеты имела, например, одна из эскадрилий 99-го гв. орап, летом 1944 г. три машины получил 39-й орап. В этих полках с самолетов снимали тормозные решетки. Имелись такие самолеты и в обычных бомбардировочных полках, но они также эксплуатировались по большая части как разведчики. На Пе-2 с моторами М-82Ф летал в конце войны командир 4-й гв. бад Герой Советского Союза генерал-майор Ф. Котляр, известный воздушный разведчик.
Надо сказать, что на фронте недолюбливали эти машины. Надежность новых мотоустановок так и не достигла уровня старых. Поступали жалобы на неустойчивую работу моторов, тяжелый запуск; двигатели глохли при переохлаждении на высоте, особенно зимой. Внедрение новых двигателей принесло больше хлопот, чем пользы. Модификации Пе-2 с моторами М-105ПФ и М-82 довольно существенно отличались друг от друга узлами и агрегатами, что создавало немало трудностей в производстве и обслуживании. Недоведенность новой мотоустановки не позволяла полностью использовать ее преимущества. Исчезла и первоначальная причина создания модификации: М- 105ПФ в достаточном количестве стали поступать с моторных заводов, а у М-82Ф нашлись другие массовые "потребители" – истребитель Ла-5 и бомбардировщик Ту-2. Не было никакого смысла ломать хорошо налаженный процесс выпуска Пе-2. Поэтому после изготовления 32 серийных машин с моторами воздушного охлаждения их производство прекратили и вернулись к использованию старой мотоустановки. Вместо производства Пе-2 с моторами М-82 завод № 22 получил новое задание – восстановление выпуска Пе-3, но уже с моторами ВК- 105ПФ.
На заключительном этапе серийного производства
Пе-2 постройки 1945 г. практически не отличались от самолетов выпуска конца 1944 г. Эволюция пикировщика Петлякова закончилась. Мясищев усердно работал над своим "советским Москито" – Пе-2И и его упрощенным вариантом Пе-2М, которым так и не суждено было встать в строй.
Количество "пешек" в ВВС постоянно увеличивалось (на 1 января 1945 г. их насчитывалось 1314 в варианте бомбардировщика и 345 в варианте разведчика), но их доля в самолетном парке относительно других типов не росла. Более того, у них появился мощный конкурент – бомбардировщик А.Н. Туполева Ту-2. Впервые несколько Ту-2 появилось на фронте еще в 1942 г. во время войсковых испытаний. На Курской дуге было всего 18 Ту-2 в 285-й бад полковника В.А. Сандалова, которые применялись в основном в качестве разведчиков. А в мае 1944 г. под Ленинградом 334-я бад полковника Н.П. Скока уже целиком состояла из этих самолетов. Ту-2 превосходил Пе-2 и по летным данным, и по вооружению, и по бомбовой нагрузке. Однако до самого конца войны самолет Петлякова оставался основным и наиболее распространенным советским бомбардировщиком.
Пе-2 действовали по всей Восточной Европе, сопровождая наступление советских войск. Большую роль сыграли Пе-2 в боевых операциях в Польше, Чехословакии, Венгрии. В январе 1945 г. во время Висло-Одерской операции они выступили в составе 779-й бап не только в своей основной роли фронтовых бомбардировщиков, но и как транспортные самолеты, доставляя горючее вырвавшимся вперед частям 2-й гв. танковой армии. В апреле 1945 г. эти самолеты внесли свой вклад в штурм Кенигсберга и военно-морской базы Пиллау, когда ПВО противника уже была малоэффективна, а истребители встречались редко. С Пе-2 сбрасывали бомбы крупных калибров – 250 и 500 кг. Например, при штурме крепости Кюстрин капитан В.П. Мельник из 96-го гв. бап с первого же захода поразил ФАБ-500 крупный склад боеприпасов, вызвав огромный взрыв.
В Берлинской операции участвовали 743 пикировщика Пе-2 и Ту-2. Только один 3-й бак утром 25 апреля послал на Берлин 156 Пе-2. Например, 30 апреля целями "пешек" стали здание гестапо и мост через реку Шпрее в Берлине. На город сыпались бомбы с надписями "Для Гитлера", "Для Геринга", "В логово зверя". По-видимому, последний боевой вылет Пе-2 на бомбометание в Европе был совершен 8 мая 1945 г. Советские летчики бомбили порт в Лиепае, откуда немцы пытались морем уйти в Швецию. Разведывательные полеты в Чехословакии и Австрии совершались и позже. Участвовали "пешки" и в короткой кампании на Дальнем Востоке. Например, пикировщики 34-го бап во время ударов по портам Расин и Сейсин в Корее потопили три транспорта и два танкера и повредили еще пять транспортов.