Первые полеты выявили ряд допущенных в спешке конструктивных просчетов, в частности неудовлетворительную работу системы охлаждения масла и несоответствие конструкции шасси. Имелось и множество иных дефектов, потребовавших устранения и доводки. Еще более «несчастливым» оказался второй опытный экземпляр – в испытательном полете в результате возникшего пожара и задымления кабины летчик был вынужден практически вслепую совершить посадку на поле, где в это время работали школьники, что привело к гибели 19 человек. Экипаж отделался травмами, самолет был разрушен.

В период испытаний «сотка» развила скорость 538 км/ч на высоте 6600 м, на высоту 1000 м самолет поднимался за 6,8 мин.

1 мая 1940 года ВИ-100 принял участие в традиционном воздушном параде. По итогам государственных испытаний, несмотря на все недостатки, был сделан вывод, что «самолет “100” представляет собой наиболее удачное разрешение проблемы создания вооруженной машины с герметичной кабиной».. однако за этим следовало неожиданное для конструкторов заключение: «В целях использования высокой аэродинамики самолета “100” целесообразно создание на его базе пикирующего бомбардировщика без гермокабины. Необходимо построить опытную серию».

Логика руководства в целом была понятна – по итогам визитов советских делегаций в Германию можно было сделать вывод, что боеспособных высотных бомбардировщиков у Германии, как наиболее вероятного противника, не имеется, в то же время особый интерес – в том числе на основании анализа боевых действий войны в Европе – проявился именно к классу пикирующих бомбардировщиков, практически отсутствующим в авиации РККА.

На проектирование на базе истребителя самолета ПБ-100 было отпущено всего полтора месяца, но бригада Петлякова с задачей справилась, и уже в конце 1940 года был собран первый серийный самолет, получивший в серии наименование Пе-2, причем серийное производство было подготовлено еще до окончания государственных испытаний.

Сдача машины послужила поводом для освобождения из заключения самого В. Петлякова и ряда сотрудников его бригады.

По сравнению с «соткой» в конструкцию самолета был внесен ряд изменений. Гермокабины были сняты, кабина пилота смещена вперед и получила остекление снизу, позволяющее осуществлять прицеливание при бомбометании. Сзади пилота находилось место штурмана, который также вел огонь из оборонительного пулемета ШКАС на шкворневой установке. Стрелок-радист отвечал за подфюзеляжную «кинжальную» установку, также оснащенную ШКАС. Двигатели М-105Р вместо турбокомпрессоров были оснащены приводными центробежными нагнетателями и винтами изменяемого шага.

Самолет был оборудован аэродинамическими тормозами-решетками и автоматом пикирования, обеспечивавшими пикирование под углом до 70°.

При полетном весе 7536 кг максимальная скорость самолета равнялась 540 км/ч на высоте 5000 м, дальность полета 1200 км.

Характерной особенностью Пе-2 стало широкое применение электроприводов: работу систем самолета обеспечивало около 50 электромоторов, которые управляли створками радиаторов, шагом винтов, насосами, клапанами, тормозными щитками, закрылками, уборкой и выпуском шасси и т. д.

Серьезным недостатком Пе-2 являлась малая бомбовая нагрузка. Благодаря изначальной «истребительной» конструкции самолет имел большой запас прочности, что, с одной стороны, было преимуществом для пикирующего бомбардировщика, но вместе с тем было причиной чрезмерного собственного веса. В итоге при сравнительно небольшой мощности моторов М-105 бомбовая нагрузка, размещаемая на внутренней подвеске – в бомбоотсеке в центральной части фюзеляжа и небольших отсеках в мотогондолах, где помещалась бомба ФАБ-100, – не превышала 600 кг, а максимальным калибром бомбы, которую мог поднять Пе-2, являлась ФАБ-250. С использованием наружной подвески максимальная бомбовая нагрузка могла доходить до 1000 кг. При этом бомбометание с пикирования можно было осуществлять только с внешней подвески, так как бомбоотсеки не были оборудованы устройствами для отведения бомбы от фюзеляжа, что при применении данного способа дополнительно ограничивало массу поднимаемого бомбового груза.

Благодаря «истребительному» происхождению в варианте бомбардировщика самолет сохранил высокую маневренность вплоть до способности выполнять фигуры высшего пилотажа, что в сочетании с высокой скоростью давало летчикам возможность не только уходить от преследования, но достаточно успешно вести воздушный бой. В то же время летчики отмечали, что самолет более сложен в управлении, чем стоящие на вооружении СБ и ДБ-3. Особенно непростыми элементами были взлет и посадка, что при недостаточном уровне подготовки летного состава достаточно часто служило причиной летных происшествий.

В то же время достаточно примечательным является факт, что Пе-2 без особых сложностей освоили летчицы женского 587-го бомбардировочного авиационного полка[39], в отличие от молодых летчиков-выпускников летных школ уже имевшие достаточный летный опыт, преимущественно в качестве инструкторов.

К началу войны в штате ВВС Западных округов значилось около 200 Пе-2. Часть этих самолетов вступила в бой в первый же день войны – так, ударом группы в составе 17 Пе-2 5-го бап был разрушен мост через реку Прут.

Начало боевой работы потребовало внесения дополнительных усовершенствований. Прежде всего, было усилено вооружение – один из курсовых пулеметов ШКАС и такой же пулемет в подфюзеляжной установке заменили на 12,7-мм пулеметы УБ.

Еще накануне войны Петляковым была задумана модификация Пе-2Ф, оснащенная двигателями М-105 Ф с турбокомпрессорами. Самолет отличался не только силовой установкой, но и конструкцией фюзеляжа: самолет стал среднепланом, увеличился бомбоотсек, вмещавший одну бомбу ФАБ-500 или две ФАБ-250, при этом длина фюзеляжа несколько увеличилась. Общий вес допустимой бомбовой нагрузки вырос до 1600 кг. Как показали испытания, мощности двигателей М-105 не хватало для обеспечения требуемых характеристик.

12 января 1942 года во время перелета из Казани в Москву В.М. Петляков погиб в авиакатастрофе. По трагическому стечению обстоятельств жизнь конструктора оборвал им же созданный самолет – Петляков решил вылететь на борту одного из Пе-2, перегонявшихся с завода на фронт. Причины катастрофы установлены так и не были.

Дальнейшие работы по Пе-2 возглавил сперва А.М. Изаксон, а затем А.И. Путилов.

Весной 1942 года было осуществлено новое усиление оборонительного вооружения – начиная с 83-й серии ШКАС у штурмана заменили на УБТ, а начиная с июня 1942 года на машинах 110-й серии начали устанавливать закрытую турель с пулеметом УБТ. Кроме того, была усилена бронезащита, а бортстрелок получил переносной пулемет ШКАС, из которого он мог вести огонь через специальные окна в бортах фюзеляжа. Эта модификация иногда упоминалась как Пе-2ФТ, хотя официально так не именовалась.