С июля 1941 г. начался резкий рост выпуска Пе-2. Здесь сыграло свою роль и подключение к московским заводам казанского и иркутского. Если в мае-июне ежедневно сдавали военным по пять машин, то в июле-сентябре - уже по девять. Появилась возможность создания резерва "пешек", куда планировалось ежемесячно направлять по 15 бомбардировщиков. Полки из резерва собирались потом отправлять на наиболее опасные направления. Однако расширение базы производства привело к появлению новых проблем. Так, на фронте столкнулись с невозможностью обеспечения взаимозаменяемости деталей и агрегатов, что затрудняло ремонт самолетов, особенно если приходилось монтировать агрегаты одного завода на самолеты другого. А положение с запчастями к Пе-2 обстояло очень тревожно, и часто выбирать было не из чего.
В октябре-ноябре 1941 г. к уже привычным трудностям военного времени (нехватке материалов, электроэнергии и квалифицированной рабочей силы) добавилась еще одна — эвакуация основных заводов-производителей Пе-2 на восток. Москва в это время подвергалась налетам германской авиации. В результате одного из них в августе на летном поле Тушинского аэродрома были сожжены три "свежеиспеченных" самолета выпуска завода № 22. Кроме того, роста производства Пе-2 в это время уже не наблюдалось, а наоборот, произошло его снижение.
Московский завод № 39, с осени 1941 г. строивший главным образом истребительный вариант "пешки" Пе-3, эвакуировали в Иркутск, где он вскоре слился с размещенным там заводом № 125. Другой московский завод, № 22, переместился в Казань и был фактически объединен с местным заводом № 124. Конструкторское бюро Петлякова, именовавшееся в это время опытно-конструкторским отделом завода № 22 (ОКО-22), также переехало в Казань. Естественно, что эвакуация не могла не привести к потерям в объеме выпуска пикировщиков.
Если в октябре изготовили 296 Пе-2 и Пе-3, то в ноябре с трудом удалось собрать всего 50 Пе-2, а в декабре - еще 93. Угрожающим было положение со снабжением авиазаводов материалами, деталями, агрегатами.
С перебоями поступали дюралевые листы для обшивки, трубы, профили и другие комплектующие. Поэтому попытки замены отсутствующих изделий и материалов имеющимися в наличии не прекращались ни на минуту. Например, в декабре по заказу военных изготовили партию из 50 винтов АВ-5 с деревянными лопастями. Хотя при этом летные данные несколько снизились (скорость упала на 20-25 км/ч), командование оценило ее как "чрезвычайно важную работу", позволившую не останавливать конвейер.
Установка ракетных орудий РО-82 для стрельбы назад, 2-й драп, 1941 г
Экипаж старшего лейтенанта П.Н. Шинкарева, 11-й орап
В дальнейшем у Пе-2 появились и другие деревянные детали.
Для отражения начавшегося в октябре 1941 г. вражеского наступления на Москву от Красной Армии, в том числе от авиации, требовалось величайшее мужество и героизм. "Люфтваффе" по-прежнему имели превосходство в силах, особенно в дневных бомбардировщиках. Каждый Пе-2 был на счету, и для их лучшего использования новые самолеты стали сводить в новые формирования — авиагруппы. К началу оборонительных боев в составе ВВС Западного фронта имелось 95 Пе-2, т. е. 19% всей фронтовой бомбардировочной авиации.
В битве под Москвой перед бомбардировщиками Петлякова ставились наиболее важные задачи, а в ходе боев родились новые приемы применения.
Ухудшение штурманской подготовки летного состава в совокупности с типично осенней непогодой приводили к частым случаям потери ориентиров. Перед хорошо подготовленными летчиками и штурманами 9-го бап, базировавшегося в центре Москвы, была поставлена задача лидирования вновь прибывающих на фронт частей и подразделений истребителей и штурмовиков. Эта задача была непростой особенно во время посадки на фронтовых площадках ограниченных размеров с плохими подходами.
Широкое применение получили под Москвой Пе-2 с реактивными снарядами. Иногда их устанавливали необычно, для стрельбы в сторону, противоположную направлению полета. Учитывая уязвимость бомбардировщиков при атаке сзади, техник А. Помазанский предложил устанавливать таким образом несколько реактивных орудий РО-82. Внезапный пуск снарядов, по замыслу изобретателя, мог сорвать атаку вражеских истребителей. Во 2-м драп в ноябре 1941 г. на всех Пе-2 поставили такие установки.