Увеличивались и темпы производства – если в 1941 году была построена 1671 машина, то уже в 1942-м выпуск бомбардировщиков составил более 2300 самолетов. Уже к осени 1942 года Пе-2 составляли 2/3 бомбардировщиков фронтовой авиации РККА (без учета ночных бомбардировщиков У-2).

Очередные изменения в конструкции произошли осенью 1942 года. На самолете были установлены дополнительные бронеплиты для защиты стрелка и топливные баки большего объема. Другое нововведение было вынужденным – из-за обострившегося дефицита алюминия хвостовая часть фюзеляжа стала деревянной. Рост веса в сочетании со снижением качества серийной сборки с увеличением темпов производства и, как правило, невысокой квалификацией персонала авиапредприятий привели к резкому ухудшению характеристик – скорость упала ниже 500 км/ч, что, в свою очередь, привело к возрастанию боевых потерь бомбардировщиков, особенно в столкновениях с появившимся на фронте истребителем «Фокке-Вульф Fw.190».

Необходимо было принимать срочные меры к исправлению положения. Этим довелось заниматься возглавившему КБ в 1943 году В.М. Мясищеву. Была проведен тщательный анализ возможности улучшения аэродинамики самолета – в том числе изменениям подверглась форма мотогондол. Кроме того, на самолет установили форсированные маловысотные двигатели М-105ПФ. Принятые меры позволили самолетам 205-й серии, выпуск которой начался в июне 1943 года, развивать скорость 520 км/ч на высоте 3700 м.

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.

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».