Однако ночные условия играли на руку не только нападающей стороне. Немецкие бомбардировщики шли к Москве без обычного для них истребительного прикрытия. В этих условиях важнейшими свойствами для перехватчика стали большая продолжительность полета, мощный огонь и хороший обзор для экипажа. Такие свойства наиболее легко можно было реализовать при использовании двухмоторной двухместной машины. У командования ВВС Красной Армии, в принципе, был большой выбор – ведь именно такую схему имели истребители, разработанные Таировым Та-3, Микояном и Гуревичем (МиГ-5), Поликарповым (ТИС). Самолет Таирова был даже рекомендован к серийному производству на совместном совещании руководства Наркомата авиационной промышленности и ВВС Красной Армии еще 4 июня 1940 г., в тот самый день, когда было принято решение о серийном производстве бомбардировщика Пе-2 и штурмовика Ил-2. Однако наделе Та-3 в серию не попал из-за целого ряда объективных и субъективных причин.
А летом 1941 г. барражирующий перехватчик, предназначенный для борьбы с бомбардировщиками и разведчиками противника, стал нужен, что называется, позарез. Сделать такой самолет быстро можно было только на базе серийной машины. Тут-то и вспомнили об "истребительном прошлом" фронтового бомбардировщика Пе-2.
Решением Государственного Комитета Обороны от 2 августа 1941 г. московскому авиационному заводу № 39 было предписано в срок до 6 августа изготовить истребительный вариант бомбардировщика Пе-2. Всего четверо суток выделялось на работу, связанную с радикальным изменением многих важных систем, в частности, топливной, на переделку установок вооружения и радиооборудования. И все же 7 августа первый опытный двухмоторный истребитель, позднее получивший обозначение Пе-3 в соответствии с существовавшим порядком – присваивать истребителям нечетные порядковые номера в отличие от самолетов всех других назначений, поднялся в воздух под управлением заводского летчика-испытателя майора Федорова. На следующий день летчик- испытатель НИИ ВВС Красной Армии полковник Степанчонок выполнил программу сдаточных испытаний, после чего самолет был передан на государственные испытания. Вряд ли можно найти в истории авиации другой пример такой оперативности, ведь между заказом на машину и выходом ее на госиспытания прошло всего семь дней.
В соответствии с новым назначением самолета большое внимание было уделено увеличению продолжительности и дальности полета. Крыло базового Пе-2 содержало в общей сложности восемь бензобаков, существенно увеличить объем которых не представлялось возможным без серьезных переделок конструкции, на которые просто не было времени. Для получения требуемой дальности полета 2000 км пришлось "запихнуть" в среднюю и хвостовую части фюзеляжа емкости для 700 л горючего – и по условиям балансировки самолета разместить эти баки не слишком далеко от центра давления. Выяснилось, что места для стрелка-радиста в этом случае не остается. Один из дополнительных баков установили в бомбоотсеке фюзеляжа, а два других – на месте кабины стрелка. Так самолет стал двухместным. Впрочем, нижний люк в хвостовой части фюзеляжа оставили, и при перебазировании техники самолетов улетали со своими машинами.
На истребителе несколько усилили наступательное вооружение, разместив в носовой части фюзеляжа дополнительный пулемет БК калибра 12,7 мм с боезапасом 150 патронов. Таким образом, носовая стрелковая установка опытного самолета состояла из двух крупнокалиберных пулеметов БК и одного ШКАСа с 750 патронами. На серийных Пе-3 пулемет ШКАС сняли, но зато увеличили боезапас у БКдо 250 патронов на ствол.
Верхнюю турельную установку штурмана с пулеметом ШКАС взяли без изменений от Пе-2. Поскольку назад-вниз вести огонь было некому, вспомнили об отработанной еще для высотного истребителя "100" хвостовой неподвижной установке пулемета ШКАС с боекомплектом 250 патронов, которую и смонтировали в хвостовом коке фюзеляжа. Бомбардировочную установку радикально упростили.
От обычной для Пе-2 схемы остались лишь четыре бомбодержателя: два в бомбоотсеках мотогондол и два наружных под центропланом. Суммарная масса бомбовой нагрузки составляла: нормальная – 400 кг, а перегрузочная – 700 кг (две бомбы по 250 кг и еще две по 100 кг). Электрическую систему управления сбрасыванием бомб демонтировали, оставив только аварийную механическую.
Тормозные решетки под консолями вместе с приводами были ликвидированы. Забегая вперед, следует признать, что это мероприятие вряд ли себя оправдало. В своей будущей карьере Пе-3 пришлось чаще выступать в роли бомбардировщика, чем истребителя, поэтому тормозные решетки ему вполне пригодились бы. Из-за отсутствия решеток "тройки" никогда не бомбили с крутого пикирования, что снижало их боевую эффективность.