Вооруженный первоначально бомбардировщиками СБ, 40-й сбап, воевавший с первого дня войны, начал перевооружение на Пе-2 и Пе-3 в сентябре 1941 г. В том же месяце полк прошел переформирование, выделив из своего состава полк "40-А", впоследствии 511 – й ближнебомбардировочный авиаполк (ббап). В период с 22 по 24 сентября самолеты 40-го сбап нанесли ряд массированных ударов по железнодорожному узлу Старая Русса и вывели его из строя на неделю. Три вылета полка 27 и 28 сентября на бомбардировку станции Рославль приостановили движение немецких эшелонов на 2-3 дня. В числе наиболее заметных успехов полка стоит отметить разрушенный мост через реку Угра в районе Юхнова (командир эскадрильи капитан А.Г. Рогов получил за пего звание Героя Советского Союза) и поврежденный мост через Волгу в районе Калинина, что затруднило маневр германских танковых соединений. Цена, которую заплатил полк за успехи, также оказалась немалой: 6 октября 1941 г. не вернулись на свои аэродромы пять экипажей Пе-3, 8 октября пропал без вести в районе Юхнова-Медыни комэск А.Г. Рогов, а четыре дня спустя -второй комэск, капитан В.Б. Малофеев.
В период битвы под Москвой полк, вооруженный преимущественно Пе-3, использовался для нанесения бомбовых ударов и разведки. Он выполнил 365 самолето-вылетов и сбросил на врага 218 тонн бомб. 15 декабря 1941 г. полк был преобразован из скоростного бомбардировочного в авиационный полк разведчиков Главного Командования Красной Армии (40-й апр ГК КА), а позднее получил более привычное наименование – 40-й дальний разведывательный авиационный полк (драп). Экипажи проходили переучивание, не выходя из боев.
Теперь они стали "глазами" Ставки Верховного Главнокомандования и вели стратегическую разведку на широком фронте от предгорьев Кавказа до Калинина.
Самолеты полка регулярно появлялись над крупнейшими немецкими аэродромами Сеща, Олсуфьево, Брянск и Орел, отслеживали движение железнодорожных эшелонов в глубине оккупированной территории. В период подготовки операции на окружение 6-й немецкой армии в районе Сталинграда полк участвовал в сплошном фотографировании оборонительных позиций немецких, румынских и итальянских войск, в результате чего была разработана единая фотокарта всего района, предназначенная для высшего военного руководства.
Личный состав полка выполнил ряд доработок на своих машинах в интересах повышения их обороноспособности и дальности полета. Так, на фюзеляжах "пешек" монтировали пару реактивных орудий РО-82 для стрельбы назад.
Часть Пе-3 оснастили качающимися установками для аэрофотоаппаратов АФА-1, а в хвостовой части мотогондол на месте бомбоотсеков разместили дополнительные бензобаки. По состоянию на 1 января 1943 г. полк располагал 11 самолетами Пе-3, что составляло 38 % от боевого состава. \ Впоследствии в полку постепенно стала увеличиваться доля самолетов А-20В, а численность Пе-3 уменьшилось до 3-4 единиц.
Еще одной частью, получившей осенью 1941 г. истребители Пе-3, являлся 9-й ббап. Войну он начал на аэродроме Паневежис в Прибалтике. Всего за четыре дня боев в результате неоднократных ударов немецкой авиации по аэродрому базирования и атак немецких истребителей в воздухе полк потерял почти все свои бомбардировщики СБ, после чего был выведен в резерв. В июле- августе личный состав части прошел переучивание на пикирующие бомбардировщики Пе-2. Тогда же полк перешел на новый штат (20 самолетов и экипажей), выделив из своего состава полк "9-А" (впоследствии 723-й ббап). В сентябре 1941 г. 9-й ббап получил на вооружение дальние истребители Пе-3, но наименование его не изменилось. В период с октября 1941 по февраль 1942 г. часть базировалась на Центральном аэродроме в Москве, в том самом месте, где сейчас городской аэровокзал. Командовал полком майор В. Лукин.
Большую часть боевых вылетов в октябре-ноябре 1941 г. самолеты 9-го ббап выполнили для нанесения бомбо- штурмовых ударов по наступающим немецким войскам. Другой важной задачей стало прикрытие участков железной дороги Москва-Загорск и Москва-Дмитров. За период с октября 1941 по февраль 1942 г. экипажи полка сбили 11 вражеских самолетов, включая 6 Bf 109. За эти же 5 месяцев дальние истребители 9-го ббап выполнили 130 боевых вылетов на разведку.
В конце ноября 1941 г. полк подчинили непосредственно Главному штабу ВВС КА и возложили на него выполнение особых задач. Важнейшей из них стало лидирование направляемых на фронт групп истребителей и штурмовиков, летчики которых имели недостаточную навигационную подготовку. Более двух тысяч боевых самолетов различных типов буквально "привели за руку" на фронтовые аэродромы базирования "пешки" из 9-го ббап.