Максимальная бомбовая нагрузка возросла до 1500 кг, нормальная — 1000 кг. Причем все полторы тонны «полезного груза» можно было сбросить как с горизонтального полета, так и с пикирования, как с внутренних, так и с крыльевых бомбодержателей. Была увеличена возможность подвески бомб крупного калибра, например можно было взять на борт три ФАБ-500, или четыре ФАБ-250, или двенадцать ФАБ-100, а можно — четыре контейнера на 1200 кг боевых отравляющих веществ. Самолет устойчиво пикировал на скорости 550 км/ч под углами до 75 градусов. Оборонительное стрелковое вооружение, по-прежнему, состояло из четырех пулеметов ШКАС в стандартной конфигурации.
В выводах отчета по результатам государственных испытаний, завершившихся в январе 1941 года, отмечалось:
Кроме того, «арочки» одними из первых стали оборудовать фибровыми протектированными бензобаками вместо сварных металлических, что значительно повысило «огнеупорность» машин. Надо сказать, над проблемой предотвращения возгорания топливных баков при попадании в них пуль в Советском Союзе работали с 1936 года, имелось даже особое КБ, но что оно ни придумывало, «цель не достигалась». Конструкция фибрового бака, внедренная в массовое производство перед самой войной, — это еще один «подарок Гитлера».
В феврале 1941 года, после доработки и устранения замечаний по работе винтомоторной группы, на Ар-2 удалось получить максимальную скорость у земли 443 км/ч и 512 км/ч на высоте 5000 м. До конца года предполагалось выпустить 1000 самолетов.
Группа «сидельцев» под руководством бывшего директора завода опытных конструкций ЦАГИ, а ныне рядового зэка В.М. Петлякова, к апрелю 1940 года смастерила, как было велено, высотный истребитель-перехватчик «100» с двумя моторами М-105 и двухместной герметичной кабиной. 1 мая самолет принял участие в параде на Красной площади и, говорят, понравился любимому Политбюро. Вечером в тюремной спальне, стараясь не шуметь и не будить охрану, заскучавшие по дому инженеры качали Петлякова. Рано радовались «враги народа». Военные товарищи, оценивая возможности вероятных противников, обратили внимание, что никаких высотных бомбардировщиков у них нет в помине, соответственно, и нечего «высотно перехватывать». Петлякову предложили за полтора месяца переделать ставший ненужным истребитель в скоростной пикирующий бомбардировщик. Снова начался аврал: с машины, оставив без изменений планер, сняли гермокабину, высотное оборудование и турбонагнетатели, сместили вперед место пилота, ввели третьего члена экипажа. Рабочие чертежи тут же передавались на завод №-22 для серийного производства, начатого 23 июня 1940 года. Опытный экземпляр не строился. Официальные государственные испытания машина, получившая наименование Пе-2, прошла полгода спустя.
При взлетной массе самолета 7536 кг, была достигнута максимальная скорость 540 км/ч на высоте 5100 м, дальность полета составила 1200 км, потолок — 8700 м. Пилота защищала бронеспинка толщиной 9 мм. Вооружение состояло из четырех пулеметов ШКАС. Внутри фюзеляжа находился бомбоотсек на четыре ФАБ-100, на внешней подвеске — четыре ФАБ-250. Нормальная бомбовая нагрузка составляла 600 кг, с перегрузкой — 1000 кг. С пикирования можно было сбрасывать только бомбы внешней подвески, так как устройств для вывода бомб из фюзеляжа не имелось. Причем само «пикирование» необходимо было планировать перед вылетом: в этом случае вся боевая нагрузка подвешивалась на наружных бомбодержателях. Самой крупной бомбой, которую мог взять Пе-2, была ФАБ-500.
В награду петляковцам разрешили ночевать дома, оставив, правда, трудиться в системе НКВД.
Команда «вредителей» во главе с А.Н. Туполевым почти год работала над проектом пикирующего гиганта ПБ с четырьмя двигателями М-105. Академик А.И. Некрасов прикинул траекторию круто пикирующего самолета и поведение отделяющейся от него бомбы и: «Оказалось, что благодаря наличию подъемной силы, самолет как бы снимается с бомбы. В движении относительно самолета центр тяжести бомбы отходит под углом 60–65 градусов к строительной оси самолета».