Серийный выпуск ТБ-7 происходил не ритмично. Иногда их сдавали по четыре машины в месяц, иногда ни одной. До конца декабря 1941 года выпустили еще 17 машин, в 1942-м – 20, в том числе два с двигателями М-82А. В начале 1945-го производство Пе-8 прекратили. Всего же с учетом опытных экземпляров построили 93 самолета, включая два опытных.

В январе 1942 года, после гибели В.М. Петлякова, бомбардировщикам присвоили обозначение Пе-8. Все дальнейшие работы по серийному производству и совершенствованию машины проводились под руководством И.Ф. Незваля.

Больше всего построили самолетов с двигателями АМ-35А. Однако из-за расширения производства моторов АМ-38 для штурмовика Ил-2 стали устанавливать М-82А с винтами АВ-5. Первый экземпляр такого самолета (№ 42047) прошел совместные государственные испытания в ноябре 1942 года, и его данные, несмотря на большую мощность двигателей, оказались невысокими. Так, скорость не превышала 402 км/ч, причем на высоте 2500 метров, а дальность – 5800 км. Кроме этого, у М-82А часто отказывало зажигание, требовала доводки маслосистема, а о плохой работе карбюраторов и говорить не приходится.

В 1943 году, когда на Пе-8 установили форсированные двигатели АШ-82ФН с непосредственным впрыском топлива, летные данные бомбардировщика заметно улучшились. С ними бомбардировщики и закончили свою службу, выработав свой ресурс.

Был разработан вариант самолета с двигателями АШ-82ФН с турбокомпрессорами ТК-3. Ожидалось, что его максимальная скорость достигнет 500 км/ч на высоте 8300 метров, практический потолок будет не ниже 11 000 метров, а дальность с бомбовой нагрузкой 2000 кг составит 6000 км. Однако он так и остался на бумаге.

В 1943 году А.Д. Чаромской снял со своего дизеля один из турбокомпрессоров и установил приводной центробежный нагнетатель. Это повысило надежность работы двигателя, получившего обозначение АЧ-30Б, особенно на большой высоте. Модернизированный мотор с винтами ВИШ-61В-1 устанавливался на нескольких экземплярах Пе-8. Оборонительное вооружение этой модификации включало три пулемета УБТ и пушку ШВАК в кормовой установке.

В том же 1943 году на нескольких Пе-8 носовую турель с пулеметами ШКАС заменили установкой с крупнокалиберным УБТ по типу Ил-4. Это улучшило аэродинамику машины, и, как следствие, возросли скорость и дальность полета. Улучшился обзор из кабины командира воздушного корабля.

По оценкам автора, к сентябрю 1943 года дальняя авиация потеряла свыше 27 самолетов, из них девять ТБ-7 были уничтожены зенитной артиллерией, а от 5 до 14 – на аэродроме в первый день войны.

Особое место в истории Пе-8 занимает попытка использовать его в качестве десантно-транспортного. В марте 1939 года на государственные испытания был предъявлен опытный самолет «42» с десантно-транспортной кабиной, разработанной в КБ-29 под руководством А. Привалова. Летные испытания проводили летчики-испытатели В. Дацко, И.С. Стадник и инструктор-парашютист В.Г. Романюк. Десантная кабина размером 5,6х1,27 м крепилась к лонжеронам фюзеляжа вместо снятых створок бомболюка. Внутри кабины размещалось 12 полностью экипированных десантников с парашютами ПД-6 и вооружением. В отчете по испытаниям, в частности, отмечено: «…выброска парашютистов одиночно или группами безопасна». Кабину рекомендовали для принятия на вооружение, но по неизвестным причинам работу приостановили.

30 марта 1941 года, в соответствии с постановлением правительства, на государственные испытания предъявили транспортно-десантный вариант ТБ-7 с двигателями АМ-35А. В его хвостовой части имелись две двери размером 1,15х0,75 м для десанта и грузов, усилены лонжероны центроплана, каркас планера и обшивка. В грузовом отсеке установили узлы крепления подвесной грузовой платформы для перевозки до 4000 кг грузов или для 32 десантников. Кроме того, вместо АЦН-2 разместили сиденья для восьми десантников, а сверху – люк для их выхода на крыло. Топливную систему оснастили устройствами заполнения бензобаков нейтральными выхлопными газами от двигателей, а воздушные винты – антиобледенителями. Сняли люковую стрелковую установку. Несмотря на большой объем доработок, сохранилась возможность подвески 2000-кг фугасной авиабомбы.

Вооружение включало бомбоприцелы СПБ-2МУ и ночной НКПБ-3, электросбрасыватель ЭСБР-5, стрелковые электрифицированные установки – носовая НЭБ со спаркой ШКАСов и кормовая КЭБ с пушкой ШВАК, а шассийные – с пулеметами УБТ.

В состав радиооборудования, в частности, входили радиостанция РСБбис с жесткой антенной и переговорное устройство СПУ-4бис. Имелся автопилот АПГ-1.

В испытаниях, проходивших со 2 марта по 5 июня 1945 года, участвовали ведущий инженер Панюшкин, летчики Лисицын и Костюк, штурман Перевалов. Из-за недостаточной прочности колес полетный вес ТБ-7 на испытаниях не превышал 27 тонн вместо допустимых 33 500 кг, что не позволило определить летные данные машины.

В марте 1942 года снова вернулись к этой идее. С целью доставки в Великобританию летчиков для перегонки самолетов в СССР переоборудовали один ТБ-7 с двигателями АМ-35А. Двадцать пассажиров с парашютами размещались в грузовом отсеке бомбардировщика в несколько ярусов.

В соответствии с мартовским 1944 года постановлением ГКО на заводе № 22 построили самолет для спецрейсов Пе-8 № 42712 с дизельными двигателями АЧ-30Б в пассажирском варианте. Внешне он отличался от серийных машин отсутствием на фюзеляже турели ТАТ и увеличенной за счет форкиля площадью вертикального оперения. В фюзеляжной части (в районе центроплана) располагалась спальная кабина для трех человек, за ней (в Ф-3) – пассажирская на двенадцать мест с креслами типа устанавливавшихся на Ли-2, в хвостовой – туалетная комната. В бортах фюзеляжа появились иллюминаторы. Грузовые отсеки использовали для багажа.

Воздушные винты и стекла кабин пилотов оснащались антиобледенительными устройствами. Для пассажиров на случай полета на большой высоте предназначались четыре кислородных баллона общей емкостью сорок литров и легочные автоматы КП-12. Вооружение состояло из носовой, кормовой и шассийных стрелковых установок. Бомбардировочное вооружение было полностью снято.

В итоге вес пустого самолета на 1362 кг превысил расчетный. В то же время согласно расчетам ожидалось при максимальном взлетном весе 35 500 кг достигнуть дальности полета 5600 км. Однако в ходе государственных испытаний, завершившихся в мае 1945 года, из-за постоянного выброса масла и недоведенности маслосистемы дальность беспосадочного полета определить не удалось. Отмечалось также неудобное расположение навигационных приборов и оборудования в кабине штурмана.

В 1944 году в СССР попала документация по самолету-снаряду ФАУ-1, переданная В.Н. Челомею, до этого занимавшемуся разработкой пульсирующих ВРД. В результате работа, на которую немцы потратили пять лет, была выполнена менее чем за год. В марте 1945 года начались летные испытания самолетов-снарядов сначала 10Х, а затем 14Х, запускавшихся с Пе-8, но в состав вооружения они не входили.

После войны три Пе-8 с двигателями АШ-82ФН без вооружения передали в Полярную авиацию, где они эксплуатировались под индексами Н396, Н550 и Н562. Самолет СССР Н396 летал, видимо, с силовыми установками с четырехлопастными винтами, заимствованными от Ту-2. На Н550 пилот Агров потерпел аварию 1 мая 1950 года при посадке на аэродроме о.Диксон. После этого самолет не восстанавливался. Вторым пилотом в экипаже Агрова был Герой Советского Союза командир Пе-8 203-го полка А.С. Додонов.