Рассматривались и другие варианты силовой установки. В апреле 1943 года на испытания в НИИ ВВС был представлен бомбардировщик с двигателями М-82. Мощные двигатели позволили получить более высокие летные данные – в частности скорость на высоте 6200 м достигала значения 547 км/ч, улучшилась скороподъемность, значительно сократился разбег при взлете. Однако отмечалось и множество недостатков. Помимо низкой надежности моторов М-82, что со временем могло быть устранено – как показал опыт эксплуатации других типов самолетов с этими двигателями, имелись и замечания, присущие самому самолету, – новые более массивные капоты ухудшали обзор, осложняли обслуживание. М-82 имели более высокий расход топлива, в результате чего сокращался радиус действия. Кроме того, возросла и без того чересчур высокая посадочная скорость самолета, что в сочетании с неустойчивой работой двигателей сделало процесс посадки еще более сложным. В итоге Пе-2 М-82, именовавшихся также Пе-4, выпустили всего 32 штуки, причем в разных сериях и соответственно имевших отличия в конструкции. 24 из них поступили в войска и принимали участие в боевых действиях.
В конце 1943 – начале 1944 года проходил испытания также самолет с перспективными двигателями М-1 – модернизацией М-105 взлетной мощностью 1500 л.с., обеспечившими самолету скорость свыше 560 км/ч. Однако в серийный выпуск этот мотор не был передан.
В этот же период была реализована и задуманная еще Петляковым модификация с с двигателями М-107, за которой было закреплено обозначение Пе-6, а в процессе испытаний именовавшаяся Пе-2Д, однако и этот вариант серийно не выпускался.
Те или иные усовершенствования вносились в конструкцию на протяжении всего периода серийного выпуска – изменялся состав приборов, оборудования, типы прицелов, дорабатывались системы смазки и питания – в частности, с 382-й серии на самолет установили систему зимнего запуска, принимались меры по улучшению аэродинамики, герметизации фюзеляжа.
Менялись прицелы, радиооборудование, кислородное оборудование, приборы. Для улучшения аэродинамики, например, с 410-й серии (выпуск 1945 года) закрыли крышечками гнезда для установки перекидного пулемета ШКАС, с 411-й серии закрыли лентами щели зализов и т. д. Многочисленные изменения постоянно вносились в масло– и бензосистему, в частности с 249-й серии зимой стали разжижать масло бензином, а с 382-й серии оборудовали самолет зимней системой самозапуска.
С началом войны обнаружилось, что необходимость в тяжелом дальнем истребителе, ни одним типом которого ВВС РККА не располагали и в качестве которого собственно и проектировался изначально самолет «100», все же имеется. Впрочем, вернулся к идее создания истребителя ВИ М-105 В. Петляков еще весной 1941 года, но задуманный им высотный двухместный истребитель, вооруженный двумя пушками ШВАК, тремя БС (один из которых должен был быть оборонительным) и оборонительным ШКАС, реализован не был.
Вернуться к созданию истребителя теперь уже «в обратном порядке» на базе бомбардировщика Пе-2 тем не менее пришлось. Самолет был создан в течение четырех суток, поднявшись в воздух 7 августа 1941 года.
Для увеличения дальности полета в фюзеляже установили дополнительный 700-литровый бак на месте стрелка-радиста. Экипаж сократили до двух человек, убрали остекление кабины штурмана, наступательное вооружение состояло из двух 12,7-мм пулеметов БК, для защиты служили два 7,62-мм пулемета ШКАС, один из которых был установлен на турельной установке, второй неподвижно закреплен в хвостовом обтекателе. При этом сохранилась возможность нести «в перегруз» до 700 кг бомб на внешней подвеске, что, как показала практика, было дальновидным решением – впоследствии самолет, получивший обозначение Пе-3, применялся для нанесения ударов по наземным целям чаще, чем в качестве истребителя. Пе-3 развивал скорость 530 км/ч, имел дальность полета 2150 км и потолок 8500 м. До эвакуации авиазавода № 39 в ноябре 1941 года на его мощностях было выпущено 196 самолетов Пе-3.
В 1941 году инженерами завода № 22 был предложен собственный вариант истребителя Пе-2И (первый самолет с таким обозначенеим), несущего более мощное наступательное вооружение – два пулемета БК и две пушки ШВАК, расположенные на месте бомбоотсека. Серийно этот самолет не строился.
С поступлением Пе-3 в строевые части летчиками был предъявлен ряд претензий, в первую очередь касавшихся недостаточного бронирования, слабого вооружения. Весной 1942 года был начат выпуск усовершенствованного истребителя Пе-3бис.