Все бомбардировщики Пе-2 оснащались штатным фотоаппаратом АФА-Б, используемым для контроля за результатами бомбометания. Он монтировался в кабине стрелка, а съемка велась через люк в нижней обшивке самолета.

Аппарат был съемным и ставился на самолет только при необходимости. Для полетов на высоте свыше 4500 м Пе-2 имел кислородное оборудование: баллоны, кислородные приборы КПА-3бис и маски для всех членов экипажа. До 40-й серии ставили шесть баллонов, потом только три. Все баллоны стояли вертикально в общей укладке в хвосте самолета.

Питание для обширной системы электрооборудования Пе-2 в полете обеспечивали два генератора ГС-1000, установленные на моторах, а на стоянке — аккумулятор. Электроприводы имели триммеры рулей и элеронов, щитки пикирования (через автомат пикирования АП-1), взлетно-посадочные щитки, управляемый стабилизатор, жалюзи водо- и маслорадиаторов, переключатели скоростей нагнетателей моторов. Пе-2 имел полный комплект аэронавигационных огней — верхние и нижние бортовые АБ-40 (красный и зеленый) и хвостовой ХС-35 (белый), а также посадочную фару (в носке левой консоли), осветительные плафоны в кабинах, подсветку приборных досок и систему световой и звуковой сигнализации.

Вооружение Пе-2 существенно изменилось по сравнению с самолетом "100". Весьма оригинально было выполнено на "пешке" размещение бомб внутренней подвески. Помимо внутрифюзеляжного бомбоотсека с четырьмя точками подвески (по две на каждой из кассет Дер-21), он имел еще два отсека в задней части мотогондол, в которых монтировалось по одному бомбодержателю ДЗ-40. На каждой из внутренних точек подвески можно было разместить одну бомбу с максимальным калибром 100 кг. Снаружи на четырех держателях ДЗ-40 можно было подвесить четыре бомбы ФАБ-250, либо две ФАБ-500, при этом максимальный вес бомбовой нагрузки был принят равным 1000 кг, а нормальный - 600 кг. Сброс бомб с внутренней подвески можно было осуществить только в горизонтальном полете.

Бомбометание с пикирования выполнялось со сбросом только с наружной подвески. Пе-2 мог нести все основные типы бомб, находившиеся на вооружении советских ВВС — фугасные, осколочные, зажигательные, бронебойные и специальные калибром до 500 кг. Для прицельного бомбометания штурман использовал дневной прицел ОПБ-1М и ночной НКПБ-3. С пикирования бомбы сбрасывал летчик, у которого стоял прицел ПБЛ-1.

Верхняя стрелковая установка ТСС-1 с пулеметом ШКАС

В наследство от высотного истребителя "100" на пикирующем бомбардировщике остался вариант загрузки бомбоотсеков кассетами К-76 и разработанными несколько позднее кассетами К-100. Кассета К-76 снаряжалась неоперенными 76,2-мм снарядами с авиационными взрывателями, а в К-100 загружались осколочные бомбы от АО-2,5 до АО-20. В результате нескольких испытательных полетов выяснилось, что 76,2-мм снаряды представляют собой серьезную опасность для самого бомбардировщика из-за кувыркания при выходе из кассеты, поэтому их использование немедленно было запрещено. С кассетами К-100 положение сложилось несколько лучше, но все же их конструкция и особенности эксплуатации не удовлетворили специалистов Научно-испытательного полигона авиационного вооружения (НИП АВ), в связи с чем к апрелю 1941 г. от их применения на Пе-2 отказались. Идея применения кассеты для мелких бомб впоследствии была реализована в виде устройства КМБ-Пе-2, поступившего на вооружение осенью 1941 г.

Стрелковое вооружение всех ранних Пе-2 (за исключением шести первых самолетов завода № 39) состояло из четырех пулеметов ШКАС калибра 7,62 мм. Штурман мог вести огонь из ШКАСа турельной установки ТСС-1 конструкции С.К. Горюнова с боезапасом 750 патронов. Два неподвижных пулемета монтировали в носовой части слева и справа по оси самолета; управление огнем и наводку на цель осуществлял летчик. Носовые ШКАСы имели боекомплект по 500 патронов на ствол. Рядом с кабиной стрелка-радиста под фюзеляжем монтировалась стрелковая установка по типу МВ-2, подобная применявшимся на СБ и ДБ-3Ф. Запас патронов к ней составлял 750 шт.

С самого начала стрелковое вооружение Пе-2 было признано военными слабым для современного бомбардировщика, поэтому на серийных машинах, начиная с апреля-мая (с 13-й серии), люковый ШКАС заменили на крупнокалиберный турельный пулемет БТ конструкции Березина с боекомплектом 200 патронов. Правый ШКАС в носовой установке также был заменен на пулемет БК (крыльевой вариант с цилиндром пневмоперезарядки) с боекомплектом 150 патронов, но одновременно уменьшился запас патронов левого ШКАСа до 450 шт. В связи с тем, что выбрасываемые вниз сравнительно тяжелые звенья и гильзы БК наносили серьезный ущерб обшивке самолета и даже попадали в туннели водорадиаторов, был предусмотрен их сбор в специальный короб. На верхней установке ТСС-1 с той же целью стали собирать в мешок звенья. Секундный залп Пе-2, вооруженного только ШКАСами, составлял 1,152 кг, а с пулеметами Березина он почти удвоился и стал равным 2,2 кг.