Первые пять пикирующих бомбардировщиков Пе-2 прибыли в 40-й бап Черноморского флота в день начала войны с Германией. Спустя три дня полк получил еще пять "пешек". На Северном и Балтийском флотах такие машины в очень ограниченном количестве появились в июле 1941 г., однако, вплоть до конца года их можно было пересчитать по пальцам одной руки. ВВС Тихоокеанского флота свою первую "пешку" получили лишь в ноябре 1941 г.
В дальнейшем пополнение бомбардировочных авиаполков флота пикирующими бомбардировщиками, по-видимому, было ограничено следующими соображениями. На северном фланге советско-германского фронта, в первую очередь, требовались дальние истребители для прикрытия союзных конвоев и дальние бомбардировщики-торпедоносцы, способные наносить удары по кораблям с применением относительно крупнокалиберных бомб (не менее 250 кг) и торпед. Летные экипажи бомбардировочных полков не имели опыта боевого применения с пикирования, эффективность такого способа нанесения ударов по морским целям еще не была подтверждена практикой. В связи с этим первое время "пешки" в ВВС Северного флота использовались почти исключительно для разведки. Но имели место и удачные бомбардировочные удары, как, например, налет на неприятельские транспорты в районе Киркенеса 21 июля 1941 г. По отчету штаба ВВС в этот день Пе-2 удалось повредить два вражеских корабля, но послевоенные данные подтверждают лишь поражение бомбой транспорта "Вансбек" грузоподъемностью 2388 брт.
В результате стремительного продвижения немецких и финских войск на ленинградском направлении аэродромная сеть ВВС Балтийского флота резко сократилась. После стабилизации линии фронта немецкое командование сделало ставку на блокирование флота в восточной части Финского залива, и это решение, надо сказать, оно сумело провести в жизнь. Морские перевозки в радиусе досягаемости "пешек" противник ограничил, а на маршрутах выхода к морю краснозвездные самолеты, как правило, не располагавшие прикрытием, встречали немецкие истребители. В связи с этим роль бомбардировщиков Пе-2 и на этом театре войны на море не могла быть большой, особенно учитывая вовлеченность авиации флота в сражения на сухопутном фронте. К началу 1942 г. Северный флот располагал всего двумя, а Балтийский – одной исправной "пешкой".
Иначе ситуация складывалась на Черном море. Здесь "непотопляемый авианосец" Крым и главная база флота Севастополь долгое время обеспечивали возможность борьбы как с неприятельскими кораблями и судами, так и нанесение ударов по румыно-немецким войскам в приморских районах. Черноморские "пешки" участвовали в налетах на военно-морскую базу Констанца, нефтяные объекты Плоешти, они бомбили крупнейший в Румынии Черноводский мост и активно способствовали оборонительным операциям на сухопутном фронте.
В сентябре – декабре 1941 г. немногочисленные Пе-2 из 40-го бап наносили удары по войскам немецкой 11 -й армии, рвавшимся к Севастополю. Дело дошло до того, что 9 сентября маршал Кулик изъял из подчинения командования флота его бомбардировочную авиацию и передал ее командиру 7-го стрелкового корпуса Батову. Экипажам бомбардировщиков в этот период было приказано выполнять по пять боевых вылетов в день!
Столь напряженные задания приводили к перегрузке, большой утомляемости летного состава и неоправданным потерям. Недостаточная согласованность в действиях прикрывающих истребителей и наносивших удары бомбардировщиков также оказывала негативное воздействие. Так, в период обороны Перекопа шестерка пикировщиков Пе-2 капитана Чеботарева под прикрытием 12 истребителей бомбардировала артиллерийскую батарею противника. На отходе группа была атакована пятеркой "мессершмиттов", в бой с которыми постепенно ввязались все советские истребители. Очевидно, что отвлечение входило в план немцев: еще одна группа Bf 109F внезапно атаковала оставшиеся без прикрытия бомбардировщики и в течение 5-7 минут сожгла все шесть машин.
Вместе с тем, имелись примеры и противоположного по результатам исхода боев "пешек" с воздушным противником. Так, 30 сентября семь Пе-2 в сопровождении пятерки ЛаГГ-3 нанесли удар по румынским позициям в районе Одессы. С горизонтального полета было сброшено 20 ФАБ-100 и 34 ФАБ-50, наблюдались прямые попадания в два танка и места скопления пехоты. В районе цели группу атаковали "мессершмитты", но дружным огнем стрелков и успешными действиями пилотов ЛаГГов нападение удалось отбить. Немцы потеряли два истребителя, все советские самолеты вернулись домой.