К проектированию машины коллектив ОКО-22 приступил поздней осенью 1943 г., но официальное постановление ГКО № 4934, содержавшее задание на постройку двух опытных образцов, вышло только 12 января 1944 г. Макетная комиссия по самолету Пе-2И прошла в конце февраля 1944 г., когда первый экземпляр самолета был уже готов на 70%. Замечания комиссии в основном были связаны со стрелковым вооружением, которое признали недостаточным (как указывалось выше, на первом опытном Пе-2И в неподвижной установке стоял пулемет УБК вместо обещанной Мясищевым пушки УБ-20), а также с размещением спецоборудования. Комиссия приняла решение на первом опытном Пе-2И ничего не менять, а все замечания потребовала устранить на "дублере" и первых серийных машинах.
Летчик-испытатель завода № 22 капитан А.Г. Васильченко впервые поднял машину в воздух 6 апреля 1944 г., а 7 и 8 апреля совершил на ней еще два полета. Моторы работали удовлетворительно, температурные режимы винтомоторной группы оказались в норме. Васильченко определил важнейшие характеристики самолета – устойчивость по всем трем осям, управляемость и взлетно-посадочные качества. По этим показателям новая машина не уступала Пе-2, а по простоте пилотирования Пе-2И оказался в заметном выигрыше. В частности, путевая устойчивость была заметно лучше (что отмечалось еще на Пе-2Ф и являлось следствием, по-видимому, среднепланной схемы машины). Неприятной неожиданностью стало то, что разбег и пробег реально оказались в полтора раза больше расчетных.
Перед снятием высотно-скоростных характеристик и замером скороподъемности самолет вновь завели в опытный цех для устранения мелких дефектов и окраски. Летные испытания возобновились через неделю, но при опробовании моторов на земле обнаружили стружку в масле, что свидетельствовало о повреждении подшипников. Мотор нужно было менять. Тем временем в опытном цехе заканчивали сборку второго опытного Пе-2И. В ходе статиспытаний выявилась недостаточная прочность крыла самолета, поэтому на "дублере" усилили полки лонжеронов. Установили пулемет под сиденьем пилота (обещанную пушку так и не успели отработать), добавили брони, устранили выявленные макетной комиссией недостатки. Масса самолета несколько возросла. Опытно-конструкторский отдел прорабатывал две дальнейшие модификации машины: с двигателями М-1 и с трехколесным шасси с носовой опорой. Эти проекты, впрочем, так и остались на бумаге.
После замены двигателя капитан Васильченко поднял Пе-2И в воздух для определения максимальной скорости полета. Обычно самолет чуть-чуть (или более того) "не дотягивает" до расчетного значения. При испытаниях Пе-2И произошел редкий случай – удалось получить на второй границе высотности скорость 654 км/ч, что на 14 км/ч превышало расчетную величину. С такой скоростью, по имевшимся в то время в ОКО-22 данным, не летал ни один известный двухмоторный бомбардировщик (на самом деле некоторые варианты "Москито", в частности бомбардировочные В.IХ и E.XIV, развивали еще в 1943 г. максимальную скорость порядка 680 км/ч, но на существенно большей высоте).
Немедленно пошел доклад "наверх". К испытаниям самолета Пе-2И оказалось приковано внимание руководства ВВС, НКАП и авиационного отдела ЦК ВКП(б). О машине доложили И.В. Сталину. Поступило распоряжение немедленно передать Пе-2И на государственные испытания в НИИ ВВС. У Мясищева исчезли проблемы с добыванием моторов ВК-107А, но появились новые – как сделать так, чтобы "сыроватые" двигатели не похоронили машину. Наступила череда мучительных доводок.
Испытания в НИИ ВВС проводила бригада в составе: ведущий инженер – инженер-майор Г.В. Грибакин, летчик – майор A.M. Хрипков, штурман – старший лейтенант Ромашко. В ходе первого этапа испытаний, проводившихся в мае-июле, пришлось четыре раза менять моторы, у которых то происходила раскрутка винтов, то прорывало газы через верхнее уплотнение блока цилиндров, то начиналось выбрасывание масла из суфлеров. Двигатели ВК- 107А не сдавались и упорно расшатывали нервы испытателям и конструкторам самолета.. И все же полученные в результате нечастых удачных полетов данные оказались весьма высокими: максимальная скорость полета у земли – 556 км/ч, на первой границе высотности – 617 км/ч и на второй границе – 656 км/ч, а время набора высоты 5000 м лишь ненамного отличалось от расчетного – 7 мин. По комплексу летно-технических характеристик Пе-2И уверенно вышел на первое место в своем классе. Перетяжеление опытного самолета на 500 кг планировалось уменьшить в серии до 100-150 кг. Предполагалось также смонтировать новые законцовки крыла, увеличивавшие его размах до 17,8 м, а площадь до 43,5 м 2 .