Государственные испытания Пе-3бис проходил в НИИ ВВС в октябре 1941 г. В это время находилась в самом разгаре эвакуация завода № 39 за Урал, в Иркутск.
До начала серийного выпуска в конструкцию Пе-3бис был внесен еще ряд изменений. Два 12,7-мм пулемета переместили из носа под фюзеляж. В носу осталась одна 20-м пушка ШВАК. Боекомплект к пулеметам, 265 патронов к правому и 230 к левому, разместили во внутреннем бомбоотсеке. Необходимость освободить пространство под боекомплект привела к снижению с 250 до 100 л емкости установленного в отсеке топливного бака. Бак от боекомплекта отделяла асбестовая перегородка. Перегородка выполняла двойную функцию: не давала нагреваться топливному баку от разогретых при стрельбе пулеметов и препятствовала попаданию протекшего топлива в пулеметы. На Пе-3бис установили оборонительную турель ВУБ-1 с одним пулеметом УБТ – раньше, чем эта турель появилась на Пе-2.
К весне 1942 г. истребителями Пе-3 и Пе-3бис было укомплектовано, по меньшей мере, два полка: 95-й истребительный и 9-й бомбардировочный. Весной 1942 г. 95-й И АП был передан авиации Северного флота и базировался в Ваенге, на Кольском полуострове. Самолеты полка осуществляли дальнее прикрытие от налетов авиации люфтваффе северных конвоев. Большинство поставляемых по ленд-лизу из США и Великобритании грузов доставлялись морским путем в Мурманск и Архангельск. Истребители Пе-3 оказались единственными советскими самолетами, способными прикрыть конвои в Баренцевом море от налетов базировавшейся в Норвегии авиации люфтваффе.
9-й бомбардировочный авиационный полк базировался в Москве на Центральном аэродроме. На полк возлагались задачи особой важности, в частности эскортирование самолетов с ответственными и не очень государственными деятелями.
Истребители Пе-3бис имелись также на вооружении 13-гон 121-го истребительных авиационных полков. Четверка «пешек» одного из этих полков при отражении налета на конвой QP-18 сбила 19 сентября 1942 г. бомбардировщик Ju-88 и тяжело повредила четырехмоторный Fw-200 «Кондор». Истребители Пе-3бис также привлекались к выполнению разведывательных заданий.
28 ноябре 1942 г. в воздушном бою над союзным конвоем один Пе-3бис получил серьезные повреждения. Летчик совершил вынужденную осадку на финской территории, штурман при посадке погиб. Пилоту удалось благополучно перейти линию фронта. Финны отремонтировали поврежденный истребитель. Самолет получил регистрационный номер «РЕ-301», машину передали в PleLv-48, где он состоял на вооружении, пока не был уничтожен 2 июля 1944 г. на аэродроме Лаппиинранта пикирующими бомбардировщиками Пе-2.
Серийный выпуск истребителей Пе-3 и Пе-3 бис продолжался заводом № 39 до марта 1943 г., всего было построено 134 самолета. В авиации Северного флота истребители Пе-3 прослужили до конца войны. Даже в июле 1946 г. на вооружении 3-й эскадрильи 574-го отдельного морского разведывательного авиационного полка состояли самолеты Пе-3 и Пе-3бис.
Истребитель Пе-3бис из 121-го истребительного авиаполка авиации Северного флота 28 ноября 1942 г. совершил вынужденную посадку в Финляндии. Финны отремонтировали самолету после чего он поступил на вооружение эскадрильи PleLv-48. В финских ВВС Пе-3бис получил бортовой код «РЕ-301».
Пе-3
Пе-3 бис
Пе-2Р ранние варианты
Высокая максимальная скорость Пе-2 – то что нужно самолету-разведчику. В ходе серийного производства в конструкцию разведчиков вносились те же изменения, что и в конструкцию бомбардировщиков.
Полноценным разведывательным вариантом стал Пе-2Р. От бомбардировщика его внешний облик несколько отличался, в частности была уменьшена площадь остекления носовой части фюзеляжа. Тормозные решетки и внешние бомбодержатели не устанавливались. В центре створок бомбоотсека были сделаны иллюминаторы для объективов фотокамер.
На Пе-2Р использовались аэрофотоаппараты нескольких типов. Стандартной вертикальной фотокамерой являлась АФА-Б с дистанционном приводом. Работал с камерой радист. С помощью АФА-Б можно было вести плановую съемку местности строго по вертикали, панорамную съемку с наклоном оптической оси объектива на 15 град, и на 45 град, назад. Предусматривалась возможность установки на самолет аэрофотоаппаратов НАФА-19 и АФА-27Т1. Ночная камера НАФА-1 использовалась в ночных полетах, ее ставили вместо штатной АФА-Б. В ночные полеты разведчик брал до восьми осветительных бомб ФОТАБ-50-35. Вспышка бомбы провоцировала срабатывание по сигналу фотоэлемента спуска аэрофотоаппарата НАФА-19. За один ночной полет можно было выполнить до 50 фотоснимков. На Пе-2Р также использовались аэрофотоаппараты АФА-ЗС, поставлявшиеся из США по ленд-лизу.