Самолет представлял собой свободнонесущий цельнометаллический высокоплан классической схемы.
Трехлонжеронное крыло типа «чайка» имело угол поперечного «V» у центроплана 9 градусов; у консолей – 6 градусов. Работающая обшивка подкреплялась гофром вдоль размаха. Крыло технологически делилось на центроплан, два кессона, две отъемные части, собиравшиеся из верхней и нижней частей со стыковкой по нейтральной оси лонжеронов. Впоследствии подобная конструкция была реализована в самолетах Ил-22 и Ил-28. Каждый кессон-бак делился на четыре отсека.
Крыло относительной толщиной 14 процентов в корневой части и 10 процентов на концах было набрано из профилей BBS и оснащалось закрылками типа ЦАГИ, предложенными профессором Глассом. Управление закрылками площадью 13,3 м2
осуществлялось вместо гидравлического привода, предусмотренного эскизным проектом, с помощью электродвигателей.Оперение состояло из свободнонесущего стабилизатора с углом поперечного «V» 11 градусов и двух килевых шайб на его концах.
Фюзеляж типа монокок с грузовым люком длиной 5,5 м, окантованным мощными бимсами, технологически делился на три части: носовую, центральную и хвостовую. Створки бомболюка открывались с помощью гидравлического привода и убирались внутрь фюзеляжа. В носовой и хвостовой частях фюзеляжа располагались две герметические кабины вентиляционного типа, рассчитанные на избыточное давление 0,65 кг/см2
, что при полете на высоте практического потолка соответствовало высоте 3700 м. При включении высотного оборудования в кабины подавался воздух от моторных нагнетателей. На случай разгерметизации имелось индивидуальное кислородное оборудование.Остекление обеих кабин было с двойными стеклами, что в сочетании с селикагелевыми патронами исключало их запотевание. В передней кабине размещались летчик и штурман, в задней – стрелок и стрелок-радист.
Отличительной особенностью самолета было трехколесное убирающееся шасси с носовой опорой, оснащенной гидравлическим демпфером шимми. Носовая стойка с колесом размером 770х330 мм убиралась в фюзеляж, а основные стойки со сдвоенными колесами размером 900х300 мм – в мотогондолы.
Силовая установка первоначально состояла из двух двигателей М-120ТК жидкостного охлаждения с воздушными винтами АВ-5-115 и турбокомпрессорами ТК-1 или, как их тогда называли, «реакторами», располагавшимися над двигателями. На модификации М-2 стояли звездообразные двигатели воздушного охлаждения М-71Ф с турбокомпрессорами ТК-3.
В состав оборудования кроме стандартного набора пилотажно-навигационных приборов входили, в частности, радиостанция РСБ-бис, переговорное устройство СПУ-4бис, аэрофотоаппарат АФА-6.
Вооружение первого варианта самолета, получившего уже после войны обозначение ВМ-1а, состояло из трех пулеметов ШКАС калибра 7,62 мм и одного пулемета УБ калибра 12,7 мм. По одному пулемету ШКАС с боезапасом 750 и 1000 патронов соответственно размещались на носовой установке НУК-1 и под фюзеляжем на установке стрелка-радиста, на установке ГУК-1, механически синхронизированной с перископическим прицелом.
Два пулемета ШКАС и УБ с боезапасом 1500 и 700 патронов соответственно размещались на верхней установке ДУС-1 с дистанционным гидравлическим управлением, разработанной под руководством В.И. Ермилова. Установка позволяла вести обстрел в горизонтальной плоскости, охватывая сектора с суммарным углом до 200 градусов и вверх до 80 градусов, а вниз до 20 градусов. В ходе государственных испытаний на носовой установке НУК-1 пулемет ШКАС заменили пушкой ШВАК калибра 20 мм. На установке ГУК-1 пулемет ШКАС заменили БС. Наступательное вооружение включало авиабомбы калибра от 50 до 2000 кг. Бомбометание осуществлялось с помощью прицелов ОПБ-1МА и НКПБ-3.
Самолет представлял собой свободнонесущий цельнометаллический среднеплан классической схемы.
Двухлонжеронное крыло, установленное под углом 2 градуса к оси фюзеляжа, набиралось из профилей NACA-230 от носка до первого лонжерона и дальше из профилей B-BS. Тормозные щитки сняли, а посадочные, типа Шренка, на серийных Пе-2И заменили щитками-закрылками типа ЦАГИ, позволявшими снизить не только посадочную, но и взлетную скорость. Крыло технологически делилось на центроплан с нулевым поперечным «V» и две консоли с поперечным V=7 градусов. Уменьшили площадь элеронов по сравнению с серийными Пе-2, но увеличили площадь их аэродинамической компенсации. Обшивка элеронов – полотняная.
Оперение – двухкилевое, цельнометаллическое с полотняной обшивкой рулей.