Практика войны быстро проверила заложенные в самолет конструкторские решения. Добытый кровью опыт многократно ускорил процесс совершенствования машины, способствовал внесению изменений в ряд узлов и агрегатов. В первую очередь эти изменения были связаны с вооружением и системами повышения живучести машины. Ограниченные углы обстрела из люковой установки и ее невысокая надежность (при стрельбе в крайних положениях патрон в пулемете БТ частенько заклинивало после первого же выстрела) были выявлены немецкими пилотами, которые сумели эффективно воспользоваться этими знаниями. В авиаполках срочно переделали систему питания, развернув патронный ящик и укоротив рукав подачи. Примерно такие же изменения внесли на серийных заводах в июле-августе 1941 г. При этом удалось даже несколько увеличить углы обстрела.
В конце июля на самолетах производства завода № 22 появился дополнительный, пятый пулемет ШКАС в бортовой шаровой установке. Он мог переставляться с одного борта на другой, снабжался тремя магазинами общей вместимостью 225 патронов и позволял обстреливать направление, перпендикулярное оси самолета и не прикрытое огнем люковой и верхней установок. В случае гибели или тяжелого ранения штурмана физически сильные стрелки вели огонь из этого пулемета в верхней полусфере, положив его ствол на окантовку верхнего люка. С 23-й серии такая установка появилась на отдельных Пе-2, а с 27-й серии стала монтироваться на всех машинах, выпускаемых этим заводом.
В тот же период были предприняты первые попытки усиления огневой мощи верхней огневой точки штурмана. На машине № 9/9 завода № 22 испытывались спаренная установка ШКАСов, смонтированная на месте люка стрелка-радиста, и крупнокалиберный пулемет БТ на турели штурмана МВ-7. Обе установки, впрочем, не были внедрены в серию. Зато с сентября 1941 г. бомбардировочное вооружение Пе-2 усилили за счет оснащения самолетов кассетами мелких бомб КМБ-Пе-2, позволившими эффективно поражать незащищенные площадные цели. В этот же период прошел испытания самолет № 16/32 с подвеской реактивных снарядов PC-132, которая была рекомендована в серию.
Одновременный пуск 10 PC-132 по огневой мощи был эквивалентен бортовому залпу легкого крейсера. Отрицательной стороной применения такой установки было существенное снижение скорости полета самолета — на 25-30 км/ч без снарядов и на 35-45 км/ч с ними.
Военные специалисты, анализируя структуру потерь летных экипажей Пе-2 первых серий, без труда убедились в том, что наиболее поражаемыми членами экипажа были штурман и стрелок-радист. Если штурмана несколько прикрывала небольшая задняя бронеплита, оставлявшая, впрочем, без защиты его голову и ноги при атаке сзади, то место стрелка-радиста было бронировано чисто символически. Несбалансированность бронезащиты в конечном счете приводила к потере всего самолета и его экипажа. Это, наконец, поняли не только военные, но и конструкторы. Они сумели несколько увеличить площадь бронеэкранов стрелка и штурмана, а сдвиг центровки назад частично скомпенсировали уменьшением вдвое количества кислородных баллонов, размещенных в хвосте самолета.
Впрочем, установленная броня "держала" лишь пули винтовочного калибра, но не крупнокалиберные пули, и тем более, не снаряды немецких пушек "Эрликон" (MG FF) и "Маузер" (MG 151). Стрелки Пе-2 в среднем в 10 раз чаще получали ранения в туловище по сравнению с пилотами, а погибали в 2-3 раза чаще.
Еще одним способом повышения живучести самолета стала доработка бензобаков. Она велась по двум направлениям: совершенствование протектирования и замена дюралевых баков более стойкими фибровыми, а также оснащение системой заполнения инертным газом. Если на Пе-2 первых серий в левой мотогондоле устанавливались два баллона с азотом и вся система включалась в работу перед полетом, что вело к повышенному расходу дефицитного в условиях фронта азота, то позднее бензобаки стали заполнять охлажденными и очищенными выхлопными газами, забираемыми из коллекторов моторов. В полете эта система включалась и отключалась по желанию экипажа.
Вынужденная посадка Пе-2, март 1942 г., аэродром Кольцово
В конце лета - начале осени 1941 г. качество выпускаемых серийных Пе-2 слегка ухудшилось, но все же оставалось приличным. Испытанный в августе-сентябре в НИИ ВВС серийный Пе-2 завода № 22 с номером 10/35 показал на высоте 5000 м максимальную скорость 530 км/ч, а у земли — 445 км/ч. Немного увеличились время набора высоты 5000 м (10 мин) и посадочная скорость (145 км/ч). Данные в целом соответствовали данным опытной машины завода № 39. Хотя нормальный полетный вес против опытного образца возрос на 200 кг и составил 7700 кг, максимальная скорость на высоте 5000 м была всего на 10 км/ч меньше, что объяснялось в основном меньшим открытием заслонок радиаторов опытной машины (ее испытывали зимой), скороподъемность и потолок практически ничем не отличались от опытного самолета.
Эти цифры получили во время испытаний самолета при полной заправке и снаряжении, но без бомб на наружной подвеске. Чтобы иметь возможность сравнивать показатели, Пе-2 и в дальнейшем испытывали в таком виде. Естественно, установка ухватов и замков, подвеска на них бомб снижали максимальные скорости "пешек". Так, только за счет установки наружных бомбодержателей и ухватов для бомб максимальная скорость на высоте 5000 м уменьшалась до 508 км/ч, а подвеска двух ФАБ-250 снизила ее до 492 км/ч. Такая скорость уже не позволяла бомбардировщику уйти от атак истребителей Bf 109Е и особенно Bf 109F. Но после сброса бомб Пе-2 "мессершмитт" мог догнать его, только пролетев значительное расстояние. Часто для ухода экипажи применяли пикирование или пологое снижение, при котором бомбардировщик сильно разгонялся.
Примерно в это же время, в июле 1941 г., на самолеты завода № 22 стали ставить усовершенствованные моторы М-105РА с беспоплавковыми карбюраторами. С этим двигателем машина лучше вела себя на пикировании. Массовое внедрение М-105РА началось с 22-й серии. На новых моторах удалось избавиться от некоторых дефектов М-105Р Последние зачастую снимались с самолетов задолго до выработки положенного 100-часового ресурса. Причиной являлось уменьшение степени сжатия из-за износа и разрушения поршневых колец и самих цилиндров.