Несмотря на неоднократные требования военных, завод № 39 оказался не в состоянии установить на Пе-3бис радиополукомпас РПК-10 из-за неритмичных поставок этих приборов. Неожиданным последствием монтажа в носовой части фюзеляжа пушки ШВАК оказалась большая остаточная девиация магнитного компаса А-4, достигавшая двух десятков градусов. Эти обстоятельства, в совокупности с уменьшением остекленной площади носовой части фюзеляжа и неизбежным ухудшением условий ориентирования, сильно затрудняли полеты на большую дальность, да и вообще над незнакомой местностью.
Помимо указанных выше замечаний и дефектов, для этого варианта Пе-3бис были характерны и другие, доставшиеся в наследство от базового бомбардировщика и связанные, главным образом, с силовой установкой.
После окончания испытаний опытного Пе-3бис некоторые изменения стали реализовывать на серийных самолетах.
Отдельные машины (по-видимому, далеко не все)дорабатывались в частях силами выездных заводских бригад и специалистов инженерно-авиационной службы. На самолете устанавливали пушку ШВАК, заменяли пулемет ШКАС верхней стрелковой точки на крупнокалиберный УБТ (при этом стандартная "черепаха" – задняя подвижная часть фонаря – демонтировалась, но вращающаяся башня-экран еще не применялась), размещали в хвостовой части фюзеляжа держатель гранат ДАГ-10.
К весне 1942 г. нехватка Пе-3 стала остро ощущаться в строевых частях ВВС и авиации ВМФ, ведь с ноября не поступило ни одной новой машины. 4 марта Государственный Комитет Обороны принял постановление № 1385, в соответствии с которым завод № 39 обязывался с апреля 1942 г. восстановить серийное производство двухмоторных истребителей. Даже относительно небольшая задержка с началом выпуска вызвала сильную реакцию: начальник Главного управления заказов и технического снабжения бригинженер Селезнев 6 апреля лично обратился к наркому авиапромышленности А. Шахурину с просьбой "подтянуть" подчиненных: "Учитывая большую нужду в двухмоторных истребителях, прошу Вас обязать завод № 39 форсировать выпуск самолетов Пе-3…"
Стремление улучшить боевые и эксплуатационные качества самолета привело к созданию второго варианта Пе-3бис. Работа проводилась в Иркутске в конце 1941 г. – начале 1942 г. В серию Пе-3бис запустили в апреле 1942 г. (в этом же месяце из деталей, привезенных из Москвы, сумели собрать еще 11 "обычных" Пе-3, доведя их общее количество до 207 единиц), а в НИИ ВВС опытный самолет второго варианта (заводской № 40143900) попал только в конце мая. Контрольные испытания проводил летчик М. Нюхтиков. Отличия машины от первого варианта Пе-3бис заключались в следующем:
– пулеметы УБК изъяли из носовой части фюзеляжа и разместили под центропланом на месте прежнего бомбоотсека Пе-2. Оба УБК закрепили на общей раме, закрытой легким открывающимся вбок люком. Передняя часть рамы имела цапфы, относительно которых могла поворачиваться при обслуживании и заряжании пулеметов. При освобождении задних узлов крепления пулеметы вместе с патронными ящиками опускались казенной частью вниз, что существенно упрощало процесс подготовки вооружения. Боекомплект правого пулемета состоял из 230, а левого – из 265 патронов;
– вместо турели, разработанной для первого опытного Пе-3бис заводом № 39, у штурмана смонтировали серийную установку конструкции завода № 32 (так называемую "установку Торопова", она же ВУБ-1, она же Б-270). В различных литературных источниках, в том числе и у многоуважаемого В.Б. Шаврова, ее ошибочно называют "ФТ". Питание пулемета УБК (на турели устанавливался именно крыльевой, с электроспуском и пневмоперезарядкой, а не специальный турельный вариант пулемета Березина) было ленточным, боекомплект состоял из 200 патронов. Для повышения надежности установки пулемет оборудовали устройством электроподтяга ленты. В ходе испытаний выяснилось, что отклонение пулемета в стороны усилиями штурмана на угол свыше 40-50° при крейсерских скоростях полета невозможно из-за больших аэродинамических нагрузок. Для устранения этого явления на экран установили двухлепестковый компенсатор, оказавшийся, впрочем, недостаточно эффективным;
– в кабине экипажа в качестве вынужденной меры сняли противокапотажную раму для улучшения условий работы штурмана в полете;
– усилили бронирование экипажа, при этом общая масса стальной брони возросла до 148 кг. Спереди пилота прикрыли бронеплитками толщиной 4-6,5 мм, чего нельзя было сделать на первом варианте Пе-3бис, носовая часть которого оказалась буквально "нашпигована" оружием. Бронеспинку сиденья пилота выполнили из стали толщиной 13 мм, а лобовые стекла – из 45-миллиметрового сталинита. Кроме того, забронировали нижний люк кабины экипажа для защиты от случайного выстрела из УБК в момент посадки в самолет;