Пе-2Б с моторами М-105ПФ создавался по типу Пе-2А с добавлением новых коков винтов, обеспечивающих лучшее сопряжение с мотогондолами, иным капотированием моторов, аэродинамическими улучшениями по предложениям ЦАГИ. В частности, предусматривалась установка маслорадиаторов и всасывающих патрубков в передней кромке крыла. Переднюю часть крыла также предполагалось изменить: от передней кромки до первого лонжерона консолей профиль должен был соответствовать типу NACA-230. По расчетам максимальная скорость полета при нормальном полетном весе 7900 кг должна была составить 560 км/ч, дальность полета возрасти до 1200 км за счет введения дополнительных бензобаков. Вооружение не изменялось. Для переделки в этот вариант был выделен самолет № 19/223.
Пе-2В с моторами М-105ПФ представлял собой еще более радикальную модификациею "пешки". Фюзеляж машины предполагалось опустить на 300 мм относительно центроплана (как у Пе-2Ф) и за счет этого значительно увеличить размеры основного бомбоотсека. Объем и количество бензобаков также планировалось изменить в целях повышения дальности полета до 1500 км. Доработки силовой установки – по типу Пе-2Б. В связи с возрастанием нормального полетного веса до 8800 кг решили увеличить диаметр колес основных стоек, усиливались и амортизаторы шасси. Расчетная максимальная скорость машины составляла 560 км/ч, нормальная бомбовая нагрузка – 1000 кг, в перегрузку – 1500 кг. Внутрь фюзеляжа можно было загружать одну 500-килограммовую бомбу или две 250- килограммовых.
Стрелковое вооружение проектировалось сокращенным до трех крупнокалиберных пулеметов – по одному у каждого члена экипажа.
В сентябре 1943 г. вышел на завод- I ские испытания первый из запланированных вариантов – Пе-2А. Помимо заранее намеченных новшеств в его конструкции были реализованы и другие.
Так, изменили оперение: рули поворота стали прорезными, а с внешней стороны килей появились выступающие законцовки стабилизатора. Трубки системы нейтрального газа полностью убрали внутрь крыла, всасывающие патрубки карбюраторов оборудовали врезными фильтрами, ввели аварийную механическую уборку тормозных решеток с помощью ручной лебедки.
В ходе испытаний заводскому летчику капитану Васильченко не удалось получить запланированную максимальную скорость полета 540 км/ч. Машину пришлось дважды модифицировать, вводить все новые и новые улучшения, но она постепенно отставала от серии, поэтому внимание Мясищева переключилось на другой объект – Пе-2Б, а самолет № 17/176 в дальнейшем переделали в его "дублер". С течением времени перечень изменений, предусмотренных для Пе-2Б, несколько раз пересматривался, но значение этого самолета, как наиболее реального претендента на роль эталона серии для 1944 г., постоянно возрастало. Постройка его, однако, затянулась, и самолет был готов к полетам только в декабре 1943 г. От переноса маслорадиатора в крыло пришлось отказаться (в опытном цехе завода катастрофически не хватало рабочих, все силы были брошены на выпуск серийных "пешек"), остался неизменным и профиль крыла серийного Пе-2. Всасывающий патрубок нагнетателя смонтировали в одном туннеле с маслорадиатором – в "бороде" под редуктором мотора. На этом самолете были реализованы почти все предложения ЦАГИ, опробованные при переделке серийной машины № 19/205. Но в отличие от самолета, модифицированного институтом, Пе-2Б был лишен "излишеств" (например, быстро разрушающейся шпатлевки, нанесенной на тонкую металлическую обшивку), но зато оборудовался новой кабиной пилота-штурмана с увеличенным фонарем и стрелковой установкой "ФЗ".
Зима 1943-1944 гг. выдалась в Казани исключительно суровой, со снежными заносами, метелями и температурой воздуха до -35 °С. В этих условиях аэродром завода "захлебнулся" и не смог пропустить через себя массу серийных самолетов (в месяц завод № 22 выпускал 200-240 машин, т. е. 10-12 серий).
На летном поле скопилось большое количество "нормальных" бомбардировщиков. Испытания Пе-2Б также откладывались. Во время небольшого перерыва в снегопадах удалось спешно подготовить аэродром к полетам, но … неожиданно наступила оттепель. В конце января аэродром раскис – летать снова было нельзя. Так продолжалось до конца февраля.
Первые испытательные полеты Пе-2Б принесли разочарование – максимальная скорость составила всего 524 км/ч вместо запланированных 560 км/ч. Началось скрупулезное исследование влияния различных факторов на скорость полета: положение створок масляных и водорадиаторов, формы туннелей, всех выступающих деталей. Постепенное введение улучшений дало прибавку скорости – 10 км/ч. Вскоре после передачи Пе-2Б на государственные испытания выяснилось, что моторамы силовых установок имеют трещины (один из конструктивно-технологических дефектов Пе-2, оставшийся не устраненным до самого окончания его производства).