Так, на довольно невеселой ноте завершилась история развития двухмоторных истребителей «Пе». Из 360 серийных машин некоторые переоборудовались в перехватчики с радиолокаторами «Гнейс-2», о них можно прочесть в статье «Ночные «ерши» («АиВ» № 2"95). Новый Пе-2И, разработанный под руководством В.Мяси-щева в 1944 г., никакого отношения к истребителям не имел.
И все же свою роль Пе-3 в той войне сыграли. В числе первых частей, получивших на вооружение Пе-3 в августе-сентябре 1941 г.,были40-й,95-йи208-йавиационные полки. Как указывалось выше, головные серийные машины поступали в 95-й СБАП полковника С. Пестова. К этому времени полк имел короткую, но вполне достойную биографию. Сформированный в апреле 1940 г., он получил на вооружение бомбардировщики СБ 2М-103, но вскоре переучился на пикировщики Ар-2. В феврале-марте 1941 г. полк вновь приступил к переучиванию - на этот раз на новейший бомбардировщик Пе-2 и стал первой частью ВВС Красной Армии, вооруженной этой техникой. На воздушном параде в Москве 1 мая 1941 г. демонстрировались Пе-2 именно этого полка.
В момент нападения Германии на Советский Союз 95-й СБАП базировался сравнительно далеко от границы - на аэродроме Калинин и не испытал на себе тех сокрушительных ударов, которые обрушились на многие авиачасти приграничных военных округов. 6 июля полк вошел в состав ВВС Западного фронта. Хотя экипажи неплохо освоили свои машины, но общая тяжелая обстановка не замедлила сказаться. Уже в августе 95-й СБАП, лишившийся материальной части, вывели на переформирование. Конец августа и почти весь сентябрь личный состав переучивался на Пе-3. Стрелки-радисты были откомандированы в другие части. Штурманы усиленно занимались радиоделом, ведь связь в полете стала теперь их заботой. Летчики задумывались над новой истребительной тактикой. Кому-кому, а им, уже побывавшим в боях и вполне оценившим достоинства и недостатки «пешки», было ясно, что рассчитывать на успех боевого применения Пе-3 можно было лишь в случаях, когда объектами атак станут менее скоростные бомбардировщики и разведчики противника.
Рассматривались различные способы боевого применения Пе-3 - от барражирования парами в качестве своеобразных наблюдательных пунктов, уничтожающих самостоятельно отдельные вражеские машины и немедленно вызывающих подкрепление в случае подхода больших сил противника, до лидирования и наведения по радио одномоторных истребителей. В последнем случае легко просматривалось родство идеи с военно-морской концепцией корабля-лидера, возглавляющего атаку «легких сил». Морская терминология была принята в Германии, где такие самолеты назывались zerstorer (эсминец), и в Голландии, авиационные специалисты которой выдвинули концепцию «летающего легкого крейсера».
Нетрудно было заметить, что благодаря сравнительно большой дальности полета Пе-3 хорошо подходил на роль скоростного разведчика. Недостаток защитных свойств вполне компенсировался обычной для российской осени облачностью, которой экипаж мог воспользоваться в случае необходимости.
Приказом Командующего ВВС от 25 сентября 1941 г. 95-й СБАП был преобразован в истребительный авиационный полк (ИАП), имеющий по штату 40 Пе-3 (это было необычно, поскольку в тот период времени большинство полков переводились на 20-самолетный штат). Тем же приказом полк включили в состав 6-го истребительного авиакорпуса ПВО, прикрывавшего Москву. Спустя несколько дней шестерка Пе-3 под командованием капитана А.Жатькова вылетела на первое боевое задание в роли истребителей сопровождения. Группа прикрывала на маршруте транспортные С-47 английской военной делегации, направлявшейся из Вологды в Москву. Двухмоторные истребители отбили три попытки немцев атаковать «Дугласы» и без потерь вернулись на свой аэродром.
Счет боевым успехам Пе-3 открыл 3 октября летчик 95-го ИАП ст. лейтенант Фортовов, который одержал победу над Ju 88. В тот же день еще один «Юнкере» поджег лейтенант Куликов. 5 октября полк потерял первый истребитель - из полета не вернулся экипаж Фортовова. Обстоятельства его гибели остались неизвестными. Ведомый смог лишь сообщить, что командир заметил одиночный вражеский самолет и, приказав продолжать барражирование над объектом, в одиночку бросился на перехват.
С начала октября 95-й ИАП привлекался и к нанесению ударов по наземным объектам. Так, 4 октября эскадрилья майора А. Сачкова атаковала крупную колонну немецкой бронетехники и автомобилей. Всего было сброшено 40 бомб ФАБ-50 и ФАБ-100, после чего цель обстреляли из пулеметов. Летчики отметили прямые попадания в танки и автомобили, в колонне возникли пожары. На обратном пути эскадрилью догнали немецкие истребители Bf 109 и в завязавшемся бою каждая из сторон потеряла по одной машине. Еще один Пе-3 был разбит при посадке раненым летчиком.
28 ноября экипажи старшего лейтенанта Л. Пузанова и лейтенанта В. Стрельцова вылетели на прикрытие железнодорожного узла Александров. Им удалось перехватить три Ju 88, которые, используя облачность, пытались пробиться к станции. Встретив советские истребители, немцы бросились врассыпную, и Пузанов быстро сбил один «Юнкере». Стрельцов решительно атаковал другой вражеский самолет, экипаж которого оказал серьезное сопротивление. Во второй атаке лейтенант зажег мотор бомбардировщика, а в третьей смог добить противника, но и сам был ранен, а осколками стекла, разбитого немецкой пулей, Стрельцову повредило глаз. Пользуясь подсказками штурмана, летчик посадил истребитель на аэродром и уже на пробеге потерял сознание.
В конце ноября 1941 г. командиром 95-го ИАП стал майор А. Жатьков, уничтоживший в воздушных боях несколько самолетов противника. Осенью на «пешках» выполнили доработки, установив в носовой части фюзеляжа пушку ШВАК и заменив пулемет штурмана на крупнокалиберный БТ. Часть самолетов оснастили реактивными орудиями РО-82 (по 8 штук), а на некоторые смонтировали еще и по два РО-132. Стрелять можно было залпами по 2 или 4 реактивных снаряда. На нескольких машинах установили аэрофотоаппараты АФА-Б. Главной задачей 95-го ИАП в декабре-январе оказалось нанесение ударов по немецким войскам. Только за эти два месяца самолеты полка сбросили на врага более полутора тысяч бомб. Но все же полк считался истребительным, команда на взлет могла поступить в любую минуту, поэтому воду из моторов не сливали даже в лютые морозы.
Приказом Наркома обороны от 1 марта 1942 г. 95-й ИАП был передан в состав ВВС Северного флота. 5 марта большая группа летчиков и штурманов полка получила ордена, в том числе майор А. Жатьков и его штурман капитан Н. Морозов - ордена Ленина. Спустя два дня полк вылетел на Север.
В числе первых получил Пе-3 и 208-й СБАП капитана Коломейцева. С первого дня войны полк, вооруженный СБ, оказался в самой гуще сражений. Накал боев был столь велик, что к концу июля шестиэскадрильный полк потерял 55 самолетов и 38 экипажей. В соответствии с приказом Командующего ВВС от 4 августа 1941 г. на основе 208-го СБАП были созданы три полка уменьшенного двухэскадрильного состава (по 20 самолетов в каждом). Один из них, сохранивший прежнее наименование, приступил к переучиванию на Пе-3.
С 15 октября 208-й СБАП приступил к ведению боевых действий в составе 6-го ИАК. Главной задачей части было прикрытие железнодорожных станций и мест погрузки-выгрузки войск в районе Москвы. Кроме того, он привлекался и к нанесению бомбо-штурмовых ударов. За три месяца боев полк совершил 683 боевых вылета, уничтожив (по докладам экипажей) 34 танка, 212 автомашин, 6 железнодорожных эшелонов и 33 самолета противника. Собственные безвозвратные потери составили 10 Пе-3, 12 летчиков и 9 штурманов. За участие в обороне Москвы полк получил благодарность от командующего Западным фронтом генерала армии Г. Жукова. В декабре 1941 г. в связи с острой нехваткой Пе-3 командир 6-го ИАК полковник Мительков приказал передать оставшиеся в 208-м СБАП 12 самолетов в 95-й ИАП, и в следующем месяце полк убыл с фронта для переучивания на Ил-2.
40-й СБАП так же воевал в первые месяцы войны на СБ, но для переучивания на новые самолеты с фронта не выводился. Пе-2 и Пе-3 в эту часть начали поступать в сентябре 1941 г. В том же месяце полк разделили на два, выделив из его состава 40-А СБАП - впоследствии 511-й ближнебомбардировочный авиаполк (ББАП).