Наиболее подготовленные экипажи полка привлекались к решению другой особо важной задачи – сопровождению правительственных самолетов. За три неполных месяца полк совершил 95 самолето-вылетов на сопровождение. Случались и неприятности. Зима выдалась ранняя, и полеты нередко производились в сложных метеоусловиях. 21 ноября 1941 г. командир полка майор Лукин, лично возглавивший шестерку Пе-3, сопровождал самолет DC-3, на котором летели маршал С М. Тимошенко и член Политбюро ЦК ВКП(б) Н.С. Хрущев. В условиях сильной облачности самолеты шли плотной группой. В очередной раз выскочив из облака, Лукин увидел прямо перед собой хвост охраняемого "дугласа" и отвернул влево.
В результате его самолет столкнулся с машиной ведомого и разбился. Лукин и его штурман погибли, экипаж второго самолета спасся на парашютах.
В конце декабря 1941 г. двухмоторные истребители Пе-3 из 9-го ббап были доработаны: в носовой части фюзеляжа установили пушку ШВАК, а на турели штурмана крупнокалиберный пулемет БТ Почти всю работу выполнил самостоятельно личный состав инженерно-авиационной службы полка. К вечеру 31 декабря все работы были завершены, и в новый 1942 г. полк вступил, располагая существенно большими возможностями.
В ходе одного из полетов на лидирование эскадрильи истребителей ЛаГГ-3 самолет Пе-3 капитана К Данилкина был атакован 14 немецкими истребителями неподалеку от Воронежа. Это произошло 5 июля 1942 г. в районе аэродрома посадки, когда у истребителей ЛаГГ- 3 практически не осталось топлива для ведения воздушного боя, да и пилотировали их неопытные новички. Немецкие пилоты все внимание сосредоточили на самолете-лидере, решив, что на борту его находится какая-то важная персона.
Штурман К. Мантуров из турельного пулемета сбил одного за другим два Bf 109. Еще один упал, прошитый очередями носовой установки. Последний, четвертый, Bf 109 Данилкин сбил уже на горящем самолете. Пулемет штурмана молчал, когда немецкие истребители заходили в последнюю атаку. Самолет капитана Данилкина взорвался в воздухе. Он оказался единственным Пе-3, потерянным 9-м ббап в воздушном бою за восемь месяцев боев. Еще два Пе-3 сбила зенитная артиллерия немцев, один не вернулся с боевого задания, а пятая машина была потеряна при налете вражеской авиации на аэродром Грабцево. В авариях и катастрофах полк лишился еще четырех Пе-3.
511-й ббап был сформирован в середине сентября 1941 г. на базе разделившегося пополам 40-го сбап. Командиром полка назначили капитана А. Баба- нова. В сентябре 511-й ббап укомплектовали двумя десятками новеньких Пе- 3, а 10 октября он начал боевую работу в составе ВВС Западного фронта. В ходе отражения немецкого наступления на Москву, а впоследствии и в контрнаступлении полк применялся в основном для нанесения бомбо-штурмовых ударов. Базируясь на аэродроме в Ногинске, 511-й ббап за три месяца совершил более 320 боевых вылетов и по докладам экипажей уничтожил свыше 30 танков, 8 самолетов на аэродромах, 4 железнодорожных эшелона и до 30 орудий.
Немцы недосчитались более 200 автомашин с имуществом, боеприпасами и личным составом.
Но и потери оказались значительными: к маю 1942 г. в строю осталось всего 7 машин, из них только 4 исправных. 16 и 18 марта экипажи лейтенанта Г. Потапочкина и Л. Древятникова были сбиты после выполнения боевого задания в районе своего аэродрома немецким "охотником" – истребителем Bf 110C. Впоследствии 511-й ббап был перевооружен на самолеты Пе-2 варианта "разведчик" и преобразован в отдельный разведывательный авиаполк (орап).
В конце октября 1941 г. к боевым действиям на Западном фронте приступила еще одна авиачасть, вооруженная дальними истребителями Пе-3. Ею стал 54-й Краснознаменный скоростной бомбардировочный полк. Как и для ряда других авиачастей, это было уже вторым появлением 54-го сбап на фронтах Великой Отечественной войны. 22 июня 1941 г. полк базировался на аэродроме в районе Вильнюса и при внезапном ударе немецкой авиации потерял более половины машин на земле. К 14 июля в ожесточенных воздушных боях были уничтожены почти все оставшиеся СБ, после чего полк был выведен из боев, получил новую технику и прошел переподготовку к полетам на Пе-3.
В ходе московской оборонительной и контранаступательной операций полк под командованием майора Скибо совершил около 400 боевых вылетов, уничтожая противника в районах Клина, Солнечногорска, Истры и Волоколамска. По боевым донесениям, в этот период полк уничтожил 33 танка, до 780 автомашин, 35 вагонов, 2 склада с боеприпасами. В воздушных боях было сбито шесть самолетов противника. Собственные потери составили 11 машин.