С 22 по 24 сентября самолеты полка нанесли ряд ударов по железнодорожному узлу Старая Руса и вывели его из строя на неделю. Три полко-вылета 27 и 28 сентября на бомбардировку станции Рославль приостановили движение немецких эшелонов на 2-3 дня. В период битвы под Москвой полк, вооруженный преимущественно Пе-3, использовался исключительно как бомбардировочный. Он выполнил 365 самолето-вылетов, в которых было сброшено 218 т бомб. В числе наиболее заметных успехов стоит отметить разрушенный мост через реку Угра в районе Юхнова (командир эскадрильи капитан А.Рогов получил за это звание Героя Советского Союза) и поврежденный мост через Волгу в районе Калинина, что затруднило маневр германских танковых соединений. 15 декабря 1941 г. часть преобразовали в 40-й АПР ГК, а позднее он получил более привычное наименование 40-й дальний разведывательный авиаполк (ДРАП).
Его экипажи вели стратегическую разведку на широком фронте: от предгорьев Кавказа до Калинина. Самолеты регулярно появлялись над крупнейшими аэродромами: Сеща, Олсуфь-ево, Брянск и Орел, отслеживали движение железнодорожных эшелонов в глубине оккупированной территории. В период подготовки операции на окружение 6-й немецкой армии в районе Сталинграда полк участвовал в сплошном фотографировании оборонительных позиций немецких, румынских и итальянских войск, в результате чего была получена единая фотокарта всего района. Личный состав выполнил ряд доработок на своих машинах. Так, на фюзеляжах «пешек» монтировали пару реактивных орудий РО-82 для стрельбы назад. Некоторые Пе-3 оснастили качающимися установками для АФА-1, а в мотогондолах на месте бомбоотсеков разместили дополнительные бензобаки. Ввиду естественной убыли, «тройки» постепенно заменялись Пе-2 «разведчик». По состоянию на 1 января 1943 г. полк располагал 11 Пе-3, что равнялось 38% от боевого состава. Впоследствии эта часть была постепенно перевооружена на самолеты А-20В «Бостон».
9-й ББАП майора В. Лукина войну встретил на аэродроме Паневежис в Прибалтике. Всего за 4 дня на земле и в воздухе полк потерял почти все свои бомбардировщики СБ, после чего был выведен в резерв и в июле-августе перевооружен на Пе-2. Тогда же полк перешел на новый штат (20 самолетов и экипажей), выделив из своего состава полк «9-А» (впоследствии 723-й ББАП). В сентябре часть получила вместо пикировщиков истребители Пе-3, но наименование ее не изменилось. В период с октября 1941 г. по февраль 1942 г. полк базировался на Центральном аэродроме в Москве.
Большую часть боевых вылетов в октябре-ноябре 1941 г. полк выполнил для нанесения БШУ по наступающим немецким войскам. Другими важными задачами являлись прикрытие участков железной дороги Москва-Загорск, Москва-Дмитров и разведка. С октября 1941 г. по февраль 1942 г. экипажи 9-го ББАП сбили 11 самолетов, включая 6 Bf 109, и выполнили 130 разведрейдов. В конце ноября 1941 г. полк подчинили непосредственно Главному штабу ВВС КА и возложили на него выполнение особых задач. Одной из них стало лидирование направляемых на фронт авиачастей, летчики которых имели недостаточную навигационную подготовку. Более двух тысяч боевых самолетов различных типов буквально «привели за руку» на новые аэродромы базирования «пешки» из 9-го ББАП.
Наиболее подготовленные экипажи привлекались к сопровождению правительственных самолетов и, выполняя эту важную задачу, за неполных три месяца совершили 95 самолето-вылетов. Полеты нередко проходили в сложных метеоусловиях, что порой приводило к трагедиям. Так, 21 ноября 1941 г. шестерка Пе-3, возглавляемая майором Лукиным, сопровождала С-47, на котором летели маршал С. Тимошенко и член Политбюро ЦК ВКП(б) Н. Хрущев. При сильной облачности самолеты шли плотной группой. В очередной раз выскочив из облака, Лукин увидел прямо перед собой хвост «Дугласа», резко отвернул влево и столкнулся с машиной ведомого. В результате Лукин и его штурман погибли, а экипажу второго самолета удалось спастись на парашютах.
В конце декабря 1941 г. Пе-3 9-го ББАП были доработаны путем установки пушки ШВАК в носовой части фюзеляжа и крупнокалиберного пулемета БТ на турели у штурмана. Почти всю работу выполнил самостоятельно личный состав ИАС полка. К вечеру 31 декабря переделка была завершена, и в новый 1942 г. полк вступил, располагая машинами с существенно большими боевыми возможностями. Так, 5 июля 1942 г. при лидировании эскадрильи ЛаГГ-3 Пе-3 капитана К. Данилкина неподалеку от Воронежа был атакован четырнадцатью Bf 109. Это произошло в районе аэродрома посадки, когда у ЛаГГ-3 практически не осталось топлива для ведения воздушного боя, да и пилотировали их неопытные новички. Немецкие летчики все внимание сосредоточили на самолете-лидере, по-видимому, решив, что на борту его находится какая-то важная персона. Штурман К. Мантуров из турельного БТ сбил одного за другим два Bf 109. Еще один упал, прошитый очередями носовой установки. Четвертый «Мессершмитт» Данилкин сбил уже на горящем самолете. Пулемет штурмана молчал, и немецкие истребители добили израненную машину - Пе-3 взорвался в воздухе. Он оказался единственным самолетом, потерянным 9-м ББАП в воздушном бою за 8 месяцев. Еще два «Петлякова» сбила зенитная артиллерия, один не вернулся с боевого задания, и еще один вражеская авиация уничтожила на аэродроме Грабцево. В авариях и катастрофах полк потерял еще четыре Пе-3.
511-й ББАП был сформирован в середине сентября 1941 г. на основе разделившегося пополам 40-го СБАП. Командиром новой части назначили капитана А. Бабанова. Полк получил два десятка новеньких Пе-3, и 10 октября начал боевую деятельность в составе ВВС Западного фронта. В ходе битвы под Москвой полк базировался на аэродроме в Ногинске и привлекался, в основном, для нанесения БШУ. За три месяца его экипажи совершили более 320 боевых вылетов, уничтожив свыше 30 танков, 8 самолетов на аэродромах, 4 железнодорожных эшелона и до 30 орудий. Немцы недосчитались более 200 автомашин с имуществом, боеприпасами и личным составом. Полк нес и весьма значительные потери. 16 и 18 марта экипажи лейтенантов Г. Потапочкина и Л. Древятникова были сбиты после выполнения боевого задания в районе своего аэродрома немецким «охотником» -истребителем Bf 110C. К маю 1942 г. в полку осталось всего 7 самолетов, из них только 4 исправных. Впоследствии 511-й ББАП был перевооружен на самолеты Пе-2 «разведчик» и преобразован в отдельный разведывательный авиаполк (ОРАП).
В конце октября 1941 г. к боевым действиям на Западном фронте приступила еще одна авиачасть, вооруженная Пе-3 - 54-й Краснознаменный СБАП. Перед войной эта авиачасть базировалась в районе Вильнюса и 22 июня при внезапном ударе потеряла более половины своих СБ на земле. К 14 июля в ожесточенных воздушных боях были уничтожены почти все оставшиеся машины, после чего полк был выведен на переформирование, получил новую технику и прошел переподготовку на Пе-3.
В ходе московской оборонительной и наступательной операций полк под командованием майора Скибо совершил около 400 боевых вылетов, уничтожая противника в районах Клина,
Солнечногорска, Истры и Волоколамска. По боевым донесениям, в этот период 54-й СБАП уничтожил 33 танка, до 780 автомашин, 35 вагонов, 2 склада с боеприпасами, в воздушных боях было сбито 6 самолетов. Собственные потери составили 11 «Петляковых». Один из наиболее примечательных боев произошел 18 января 1942 г., когда четверка Пе-3 атаковала аэродром Вельская. На стоянки немецких самолетов было сброшено 16 авиабомб калибра 100 кг. На отходе от цели группу атаковали Не 113 (по донесениям, но более вероятно - Bf 109F). Огнем штурманов один истребитель был сбит, а второй, не рассчитав маневра, врезался в хвост ведущего Пе-3 капитана Карабутова и потерял крыло. Карабутову удалось привести свою сильно поврежденную машину на аэродром в Туле. Экипаж не пострадал. К числу наибольших успехов «троек» под Москвой относится разгром крупной немецкой автоколонны неподалеку от Клина. Разбомбив на ее пути два моста, Пе-3 отрезали дорогу 500 машинам и в течение всего дня вели их штурмовку. Привлекались Пе-3 также для сопровождения ТБ-3 и Ли-2 при высадке крупного воздушного десанта под Вязьмой и его огневой поддержки.
В конце января 1942 г. аэродром базирования 54-го СБАП Жашково был вскрыт немецкой разведывательной авиацией и в ночь с 1 на 2 февраля атакован почти двадцатью Bf 110C. Утром налет был повторен, а вечером базу бомбили несколько Ju 88. В результате полк потерял 7 машин, из которых 3 сгорели, и остался почти без самолетов. Уцелевшие истребители в середине февраля передали в 511-й ББАП, а личный состав вывели в резерв. В мае 1942 г. экипажи были направлены в 9-й запасной авиаполк, где прошли переподготовку и в дальнейшем летали на Пе-2.