Одной из первых получила на вооружение разведывательные Пе-2 созданная в июле 1941 г. 38-я разведэскадри- лья ВВС Западного фронта. Осенью 1941 г. "пешками" оснастили 2-й и частично 1-й апр (авиационный полк разведчиков) Главного командования КА, а также 7 отдельных разведывательных эскадрилий. В 1942 г. каждая воздушная армия получила по разведэскадрилье; большинство из них развернулись в отдельные разведывательные авиаполки (орап) в конце года. Ставка ВГК начиная с апреля 1942 г. обеспечивалась разведывательной информацией, поступавшей от трех специализированных полков (иногда их называли "дивизией разведчиков ВГК", хотя все полки считались отдельными). В конце 1944 г. таких полков стало четыре. В разное время "пешки" составляли от 50 до 90 % их самолетного парка и являли собой, фактически, становой хребет разведывательной авиации в той же мере, в какой бомбардировщики Пе-2 были основой фронтовой бомбардировочной авиации.
Среди летавших на этих машинах можно назвать гвардейские части – 47-й, 48- й, 98-й и 99 й орап. Почти все остальные либо стали краснознаменными, либо получили почетные наименования.
Широкую известность и уважение заслужили в годы войны авиаторы 118-го и 15-го гвардейского полков авиации ВМФ. Роль разведывательных авиационных частей в проведении различных операций Красной Армии очень велика. Например, перед началом контрнаступления под Сталинградом авиационная фоторазведка сумела подготовить и размножить подробнейшую фотосхему расположения войск противника, на которой были нанесены несколько тысяч объектов – пулеметных точек, дотов и дзотов, минометных и артиллерийских позиций, танков в окопах и пр. Только один экипаж майора П. Гаврилова из 99-го гв. орап за 10 дней до начала Курской битвы за 20 вылетов отснял площадь в 625 км
В целом Пе-2 как разведчик показал высокую эффективность и живучесть. Например, в 3-й воздушной армии в 1943 г. один разведчик теряли на 82,5 самолета-вылета, что является достаточно неплохим показателем. Причем их основным противником были немецкие истребители, поскольку огонь зенитной артиллерии был почти не опасен для одиночного самолета, свободного в маневре. Разведчики, как правило, старались уклониться от боя с истребителями противника. В большинстве случаев применяя оружие и маневр, Пе-2 уходил от перехвата одиночным "мессершмиттом" или "фокке-вульфом", но если его атаковали несколько врагов, шансы на спасение были невелики.
В связи с этим из строевых частей поступали предложения, направленные на повышение живучести и обороноспособности, особенно важных для действующего в одиночку разведывательного самолета, такие, как усовершенствование системы нейтрального газа, установка прозрачной брони в стрелковой точке штурмана, замена левого ШКАСа на второй УБК и так далее. Пе-2 поздних серий в варианте разведчика имел и такой недостаток, как слишком малая площадь остекления снизу. В донесениях из полков отмечались также чисто производственные дефекты фотоаппаратуры, подгонки отдельных частей и т. п. Так, в уже упоминавшейся 3-й воздушной армии жаловались, что АФА-1 выступают за створки бомбоотсека, создавая дополнительное сопротивление. Тем не менее, никаких кардинальных изменений в разведывательном варианте Пе-2 не внедрили, ограничившись внесением тех же усовершенствований, что и на шедших параллельно по конвейеру бомбардировщиках.
Начиная с 1943 г. в разведывательных полках увеличилось количество американских А-20 и В-25, имевших более мощное вооружение, а затем появились и отечественные Ту-2, превосходившие Пе-2 и в обороноспособности, и в летных данных. Разведывательные Пе-2 состояли на вооружении наших ВВС до того же времени, что и бомбардировщики. После войны их быстро вытеснили более совершенные Ту-2Р
Учебный Пе-2
История учебно-тренировочного варианта пикирующего бомбардировщика Пе-2 началась в феврале 1941 г. Тогда два самолета из головной серии завода № 22 оборудовали вторым управлением с рабочего места штурмана. Необходимость учебного варианта Пе-2 для летчиков строевых частей не вызывала сомнений – машина заметно отличалась по взлетным и посадочным характеристикам от прежнего основного бомбардировщика наших ВВС, самолета СБ, имела недостаточную продольную устойчивость и ряд других особенностей. Один из переоборудованных самолетов передали для испытаний в НИИ ВВС, а второй отправили в 95-й сбап.