Модернизированный самолет получил дополнительно к двум усовершенствованным пулеметам УБК стреляющую вперед 20-мм пушку ШВАК, оборонительный ШКАС на турели был заменен на 12,7-мм УБК во вращающейся башне. Дополнительно часть машин была оснащена пусковыми установками РО-82 и РО-132 для стрельбы по воздушным целям ракетно-осколочными снарядами РОС. При этом были сохранены и наружные бомбодержатели. Была добавлена отсутствовавшая ранее бронезащита спереди, общий вес брони при этом достиг 148 кг: кабину пилота прикрывали бронеплиты толщиной 4–6,5 мм и стальная 13-миллиметровая бронеспинка, кроме того, был бронирован нижний люк кабины. Было предусмотрено заполнение нейтральными газами (отработанными выхлопными газами) топливных баков, для повышения устойчивости на малых скоростях на консолях крыльев установили автоматические предкрылки, на стеклах кабины установили шторки, предотвращающие ослепление экипажа прожекторами. Винты и лобовое стекло были оборудованы противообледенительной системой. Силовая установка, состоящая из двух 1050-сильных моторов М-105РА, обеспечивала истребителю скорость в 438 км/ч у земли и 530 км/ч на высоте. Часть машин, использовавшихся в качестве ночных истребителей ПВО, была оснащена радиолокационной станцией «Гнейс-2».
Кроме вновь выпускаемых, переоборудовалась и часть ранее выпущенных самолетов Пе-3.
Выпуск Пе-3бис прекратили в начале 1943 года, в первую очередь в связи с отсутствием двигателей М-105Р после перевода производства Пе-2 на маловысотный М-105ПФ.
В 1944 году была предпринята попытка возобновить выпуск истребителя, но ни замысел создания высотного истребителя с гермокабиной, ни двухпушечного истребителя на базе Пе-2 не был реализован, а созданный в итоге Пе-3 образца 1944 года, вооруженный одной пушкой ШВАК и двумя УБТ, не превосходил по своим данным Пе-3бис и был выпущен всего в 19 экземплярах.
Одним из первых получивших на вооружение Пе-3 (совместно с бомбардировщиками Пе-2) – 9-й скоростной бомбардировочный авиаполк, осуществлявший прикрытие железнодорожных участков Москва – Загорск и Москва – Дмитров, с октября 1941 года по февраль 1942-го доложил об уничтожении одиннадцати немецких самолетов (в том числе шести Bf.109). Другой задачей, выполняемой экипажами полка, стало лидирование групп штурмовой и бомбардировочной авиации и сопровождение полетов транспортников с членами правительства и высшего командования РККА на борту. За 8 месяцев боевой работы полк потерял в воздушном бою всего один Пе-3. Летчики другой воинской части, имевшей на вооружении Пе-3 – 54-го Краснознаменного скоростного бомбардировочного полка, – во время боев под Москвой, осуществив около 400 боевых вылетов, сбили в воздушных боях 6 самолетов противника, уничтожили 22 танка и свыше 780 единиц автомобильной техники, потеряв 11 машин. А пилоты 208-го бап занесли на свой боевой счет 34 танка, 212 автомашин, 6 железнодорожных составов и 33 сбитых самолета противника, недосчитавшись 10 своих истребителей.
Благодаря возможности продолжительное время находиться в воздухе Пе-3 активно использовались в авиации Северного флота, где осуществляли патрулирование и прикрытие морских конвоев. Летчики 95-го Краснознамённого истребительного авиаполка ВМФ, воевавшего в составе ВВС СФ, имели на счету 12 сбитых немецких самолетов врага (в том числе 9 побед, из которых, по немецким данным, подтверждено минимум 4, было одержано во время действий в составе ВВС флота и 3 – при защите Москвы в составе 6 авиакорпуса ПВО).
До прекращения выпуска в марте 1944 года в войска было поставлено, по разным данным, от 360 до 397 Пе-3 всех модификаций, при этом боевые потери составили 77 машин.
Еще одной военной специализацией Пе-2 стала функция разведчика, чему способствовали высокая скорость и возможность размещения фотоаппаратуры. На первом этапе в этом качестве использовались серийные бомбардировщики, а с августа 1941 года часть самолетов различных серий уже в заводских условиях выпускалась в варианте оборудованного фотоаппаратурой разведчика, которые, как правило, имели больший запас топлива и несколько лучшие летные данные и не оборудовались воздушными тормозами. Также выпускались разведчики и на базе Пе-3, общее число выпущенных разведывательных самолетов оценивается от 500 до 600 машин.
Во второй половине 1943 года цикл испытаний проходил Пе-2 с дополнительным ЖРД РД-1 конструкции Глушко. Было выполнено 24 полета с максимальной продолжительностью работы ЖРД 10 минут, в результате которых был зафиксирован прирост скорости 46–68 км.
Выполнявший самые разнообразные задачи, кроме разве что функций торпедоносца, Пе-2 стал самым массовым советским бомбардировщиком – к концу войны «пешки» составляли более половины парка фронтовой бомбардировочной авиации.
В общей сложности было построено более 11 200 самолетов, в создании которых принял участие целый ряд советских авиаконструкторов.
Владимир Михайлович Мясищев