Наши бомбардировочные полки, вооруженные самолетами Пе-2, успешно выполняли боевые задачи. Немецкие истребители несли естественные потери. Так, 5 октября 1941 г, экипаж Пе-2 под командованием комиссара авиаэскадрильи старшего лейтенанта Б. К. Горслихина принял неравный бой с девятью фашистскими истребителями Me-109, в ходе которого сбил три вражеских самолета. Боевые действия на Пе-2 тесно связаны с именем известного летчика Героя Советского Союза генерал-майора авиации И. С Полбина.
Бесстрашные удары по врагу прославили нашу бомбардировочную авиацию. Так, в дни Сталинградской битвы активные боевые действия вели экипажи 150-го бомбардировочного полка под командованием И. С. Полбина. Советские пикировщики Пе-2 прорвались днем к немецкому бензохранилищу а районе хутора Морозовский. Несмотря на то что бензохранилище было тщательно замаскировано и усиленно охранялось зенитной артиллерией, на втором заходе бомбардировщики зажгли резервуары с горючим, оставив немецкие танки без топлива. В битве на Кубани и под Курском самолеты Петлякова громили артиллерию, склады боеприпасов, танки и бронемашины врага, уничтожали эшелоны с воинскими грузами.
Пикирующие бомбардировщики Пе-2 воевали от начала до конца войны. В конце апреля 1945 г. группа этих самолетов под командованием М. Воронкова и А, Якобсона провели точечную бомбардировку взлетно-посадочной полосы в центре Берлина, предназначенную для бегства руководителей третьего рейха, и полностью вывели ее из строя.
На самолетах Пе-2 воевали летчицы 125-го гвардейского авиационного полка имени М. Расковой, которые начали свой боевой путь на Волге, а окончили в Восточной Пруссии.
Самолет Пе-2 выполнял и неожиданные задачи, например, Герой Советского Союза А. Смирнов вывез на нем из окружения пять летчиков-истребителей, оставшихся без самолетов, разместив по двое в кабинах пилота и стрелка-радиста и одного в бомболюке.
Летом 1945 г. в газете "Правда" была помещена фотография пикирующего бомбардировщика Пе-2 с надписью "Оружие Победы".
12 января 1942 г. В. М. Петлякову надо было быть в Москве по служебным делам. На аэродроме у него состоялся разговор с С. А. Шестаковым, который, как бы предчувствуя трагедию, не рекомендовал Владимиру Михайловичу лететь на попутном штурмовике. Самолет упал около города Арзамаса, и В. М. Петляков погиб. Проститься с ним приехал из далекого сибирского города его наставник и друг А. Н. Туполев.
На самолете Петлякова Пе-2 были проведены опыты по улучшению летно-тактических характеристик с помощью установки дополнительного ракетного двигателя. Интересно в связи с этим вспомнить историю разработки и применения на самолетах жидкостно-ракетных двигателей. В мае 1929 г. по предложению В. П. Глушко в газодинамической лаборатории, подчиненной начальнику вооружений РККА, организуется подразделение по разработке твердотопливных и жидкостных ракетных двигателей. Вначале была разработана методика расчета двигателей и создана аппаратура для измерения характеристик двигателя при стендовых испытаниях. Помимо выбора методики расчета двигателей заданного типа важной проблемой являлся выбор топлива, определяющего "лицо" двигателя и ракеты. Было предложено несколько вариантов компонентов топлива, и в 1930 - 1931 гг. прошел испытания один из созданных двигателей - ОРМ-1 с тягой 20 кгс, который работал на кислородно-бензиновом топливе. В течение двух-трех лет велись работы по определению оптимальных размеров, геометрии, степени расширения сопла, изыскивались надежные способы его охлаждения и предпринималось многое другое для создания образцов, пригодных к многократным запускам.
Проведенные работы позволили создать вспомогательные жидкостно-ракетные двигатели, которые использовались для улучшения летно-технических характеристик боевых самолетов того времени. Эти двигатели имели регулируемую тягу, насосную подачу азотно-кислотно-керосинового топлива, химическое зажигание и возможное в пределах ресурса число повторных пусков.