Несмотря на все усилия, предпринятые серийными заводами для обеспечения выпуска установленного количества ПБ-100 в 1940 г., выполнить план не удалось. Не смогли они реализовать и другое указание НКАП, посланное вслед за первым и явно нацеленное на смягчение последствий невыполнения задания Комитета Обороны, сдать первый самолет к 7 ноября 1940 г. В октябре военная приемка сообщала: "Выход первых машин на аэродром нужно ожидать не ранее середины ноября". В качестве причин опоздания называли позднее поступление чертежей и большое количество неувязок, разрешавшихся по ходу дела. Наказание последовало незамедлительно: со своих постов были сняты директора заводов № 39 и № 156, получил взыскание директор завода № 22. В конце ноября на заводе № 39 собрали первый ПБ-100, еще две машины находились на начальных стадиях сборки.

Головной самолет с номером 390101 почти две недели не мог пройти военную приемку — в нем находили все новые дефекты. В то же время "последним шансом" для руководства НКАП являлся полет хотя бы одного серийного ПБ-100 еще в 1940 г. И этот полет состоялся: 15 декабря 1940 г. летчик-испытатель завода № 39 Н. Федоров поднял в воздух Пе-2 № 390101. Название Пе-2 вместо ПБ-100 было принято в соответствии с введенным в декабре 1940 г. новым правилом обозначения типа самолета по двум первым буквам фамилии главного конструктора.

В течение нескольких следующих дней на заводе ускоренно провели краткие испытания новой машины. С полетным весом 6800 кг головной Пе-2 развил максимальную скорость 540 км/ч на высоте 5000 м, что полностью соответствовало техническому заданию.

Впрочем, этот и последующие четыре самолета лишь условно можно считать серийными. Макетное стрелковое и бомбардировочное вооружение, длинный перечень дефектов по планеру, силовой установке и оборудованию обесценивали их боевую значимость. Самолет № 3 был оставлен в распоряжении главного конструктора для отработки вводимых изменений, первым из которых было оборудование машины двойным управлением (с рабочего места штурмана).

Самолеты № 1 и № 5, выработавшие к маю моторесурс на 100 %, были переданы в одну из технических школ ВВС. Но это случилось позднее, а 16 января 1941 г. был принят военной приемкой первый Пе-2 завода № 22. Вместе с головными машинами завода № 39 он был отправлен для проведения государственных испытаний в НИИ ВВС.

Испытания Пе-2 из-за большого объема и обилия выявленных дефектов затянулись на два с лишним месяца. Первым из серьезных сюрпризов оказался массовый выход из строя приборов Р-3 - регуляторов постоянных оборотов винтов. Это электромеханическое устройство оказалось весьма ненадежным из-за подгорания коллекторов электромоторов и обрыва обмотки якоря. Каждый второй полет для летчиков-испытателей НИИ ВВС майора Ф. Опадчего и капитанов А. Хрипкова, А. Сыроегина, Л. Дудкина заканчивался вынужденной посадкой из-за отказа Р-3. Другим серьезным дефектом оказалась ошибка, допущенная при конструировании амортизаторов основных стоек шасси, в связи с чем самолет вновь, как это было уже с высотным истребителем "100", приобрел склонность к прыжкам на посадке. Сто восемьдесят семь дефектов на самолетах выпуска завода № 39 и свыше сотни на машинах завода № 22 выявили в ходе государственных испытаний. Многие из них оперативно устранялись, другие включались в список на перспективу, третьи так и остались "родимыми пятнами" Пе-2 до последних дней его существования.

К третьей группе можно отнести профиль крыла самолета, выбранный по рекомендациям специалистов ЦАГИ для высотного истребителя "100" и оставшийся неизменным на Пе-2 — "В" в корне крыла и "BS" по 13-й нервюре. Профили обладали двумя весьма полезными свойствами - высоким значением качества (отношением коэффициента подъемной силы к коэффициенту сопротивления) на больших скоростях и постоянным положением центра давления в широком диапазоне скоростей. Последнее свойство было особенно ценным для пикирующего бомбардировщика, поскольку при вводе в пике скорость полета в 2-2,5 раза меньше, чем при выводе, и если бы крыло не имело такого свойства, на ручке управления возникали бы усилия, затрудняющие доприцеливание. Много положительных свойств имело такое "неротирующее" крыло, но его критический угол атаки на малых скоростях составлял всего 11°. При перетягивании ручки на посадке или вираже срыв потока возникал несимметрично по размаху и неожиданно для летчиков. Такое неприятное свойство Пе-2 стоило жизни не одному экипажу.

И все же, несмотря на обилие дефектов, по комплексу летно-технических характеристик самолет получился удачным. Кроме того, в ходе государственных испытаний в НИИ ВВС не произошло ни катастроф, ни серьезных аварий. У земли Пе-2 первых серий развивал максимальную скорость 452 км/ч, на первой границе высотности 3000 м показал 516 км/час, а на высоте 5000 м подтвердил полученную впервые Н. Федоровым максимальную скорость 540 км/ч. Высоту 5000 м самолет с бомбовой нагрузкой на внутренних держателях (600 кг) набирал за 9,2 мин, а его практический потолок составлял 8800 м. Заметим, что испытания на максимальную скорость производились на машинах со снятыми упорами внешних подвесок и заклеенными щелями, отверстиями и даже лючками, поэтому реально Пе-2 в боевой конфигурации имел несколько худшие данные. Впрочем, это не касалось самолетов-разведчиков на базе Пе-2, которые выпускались с улучшенной отделкой, без тормозных решеток. Эти машины в ряде случаев имели почти такую же скорость, как и головные серийные Пе-2.

Пе-2 серии 1