Счет боевым успехам Пе-3 открыл 3 октября летчик 95-го иап старший лейтенант Фортовов, который одержал победу над немецким бомбардировщиком Ju 88. В тот же день еще один Ju 88 был атакован и подожжен лейтенантом Куликовым. А уже 5 октября полк понес первую боевую потерю – не вернулся из полета экипаж старшего лейтенанта Фортовова. По свидетельству ведомого, Фортовов заметил одиночный вражеский самолет и, приказав ведомому продолжать барражирование над объектом, бросился на перехват. Обстоятельства гибели самолета и экипажа остались неизвестными.
С начала октября самолеты 95-го иап стали привлекать к нанесению ударов по наземным объектам. Так, 4 октября эскадрилья майора А. Сачкова бомбила и штурмовала крупную колонну немецкой бронетехники и автомобилей. Всего сбросили 40 бомб ФАБ-50 и ФАБ-100, после чего цель обстреляли из пулеметов. Летчики отметили прямые попадания в танки и автомобили, в колонне возникли пожары. На обратном пути эскадрилью догнали немецкие истребители Bf 109. В воздушном бою, закончившемся вничью, каждая из сторон потеряла по одной машине. Еще один Пе-3 был разбит при посадке раненым летчиком.
28 ноября экипажи старшего лейтенанта Л. Пузанова и лейтенанта В. Стрельцова вылетели на прикрытие железнодорожного узла Александров. Им удалось перехватить три немецких бомбардировщика Ju 88, пытавшихся пробиться к станции, используя облачность. Встретившись в воздухе с советскими истребителями, немцы бросились врассыпную. Пузанов быстро сбил одного "юнкерса". Стрельцов решительно атаковал второго, но здесь ситуация сложилась более сложной. Во второй атаке лейтенант зажег мотор Ju 88. Третья атака оказалась последней для немца, но пилот Пе-3 был ранен, а осколками стекла, разбитого пулей с "юнкерса", Стрельцову повредило глаз. Пользуясь подсказками штурмана, летчик сумел привести истребитель на аэродром и посадить его. Уже на пробеге Стрельцов потерял сознание.
В ноябре 1941 г. командиром 95-го иап был назначен майор Жатьков, уничтоживший в воздушных боях несколько самолетов противника.
Осенью на "тройках" выполнили доработки, установив в носовой части фюзеляжа пушку ШВАК и заменив пулемет штурмана крупнокалиберным БТ. Часть самолетов оснастили реактивными орудиями РО-82 (по 8 штук), а на некоторые, кроме того, смонтировали еще по два РО-132. Стрелять можно было сериями залпов по 2 или 4 реактивных снаряда. Несколько машин доработали, установив на них аэрофотоаппараты АФА-Б. Пе-3 несли напряженную боевую службу в системе ПВО Москвы вплоть до марта 1942 г. Воду из моторов не сливали даже в самые морозные ночи, поскольку полк считался истребительным, и команда "на взлет" могла быть получена в любую минуту. И все же главной задачей 95-го иап в декабре- январе оказалась бомбардировка немецких войск.
Только за эти два месяца самолеты полка сбросили на головы врага более полутора тысяч бомб. Кроме того, нередко часть привлекалась для ведения авиационной разведки.
Приказом Наркома обороны от 1 марта 1942 г. 95-й иап был передан в состав ВВС Северного флота. 5 марта большая группа летчиков и штурманов полка получила ордена (в том числе командир полка майор А. Жатьков и его штурман капитан Н. Морозов – ордена Ленина).
Спустя еще два дня полк вылетел на Север.
С первого дня войны, вооруженный самолетами СБ, 208-й сбап оказался в самой гуще сражений. Накал боев оказался столь велик, что к концу июля ше- стиэскадрильный полк (одна из эскадрилий уже после начала войны была укомплектована командирами из академии командно-штурманского состава) потерял 55 самолетов и 38 экипажей. В соответствии с приказом Командующего ВВС от 4 августа 1941 г. на основе полка были созданы три, но уменьшенного двухэскадрильного состава (по 20 самолетов в полку). Один из них, сохранивший прежнее наименование, приступил к переучиванию на истребители Пе-3.
С 15 октября 208-й сбап под командованием майора Коломейцева приступил к ведению боевых действий в составе 6- го истребительного авиакорпуса. Задачей полка было, главным образом, прикрытие железнодорожных станций и мест погрузки-выгрузки войск в районе Москвы. Кроме того, он привлекался и к нанесению бомбо-штурмовых ударов. Всего за три месяца боев самолеты 208- го сбап (его наименование не менялось, в отличие от 95-го полка) совершили 683 боевых вылета, уничтожив (по докладам экипажей) 34 танка, 212 автомашин, 6 железнодорожных эшелонов и 33 самолета противника. Собственные безвозвратные потери составили 10 Пе-3, в сражениях погибли 12 летчиков и 9 штурманов. За участие в обороне Москвы полк получил благодарность от командующего Западным фронтом генерала армии Г.К. Жукова.
В связи с острой нехваткой самолетов Пе-3 (московский авиазавод № 39 эвакуировался в Иркутск и временно прекратил выпуск двухмоторных истребителей) командир 6-го авиакорпуса полковник Мительков приказал передать оставшиеся в 208-м полку 12 самолетов в 95-й иап. 19 января 1942 г. 208-й сбап убыл с фронта для переучивания на штурмовики Ил-2.