Из 32 изготовленных серийных Пе-2 со звездообразными двигателями военной приемке сдали только 24. Несмотря на столь небольшое количество этих машин, они появились на фронте и участвовали в боевых действиях. Головной серийный самолет Пе-2 с М-82Ф испытали в НИИ ВВС только в феврале 1944 г., причем это был не № 1/226 (у него в ходе заводских испытаний оборвался шатун и самолет был выведен из строя), а машина № 1/232. Из-за неудовлетворительной работы карбюраторов и высотных корректоров двигатели на высоте более 3000-4000 м не выдавали полную мощность, поэтому максимальная скорость самолета на второй границе высотности оказалась меньшей, чем на первой границе (526 км/ч). Главных же причин, сдерживавших серийный выпуск Пе-2 с моторами М-82, было две: нехватка двигателей М-82Ф и очень низкое качество маслорадиаторов. До сих пор не совсем ясно, как мог Государственный Комитет Обороны (ГКО) планировать массовый выпуск "пешек" со швецовскими двигателями, если их не хватало даже для истребителей Лавочкина.

Весной 1944 г. бомбардировщики небольшими партиями (по три-пять штук) стали направлять в строевые части для проведения войсковых испытаний. Получала эти машины в основном 8-я заб, которая затем передавала их маршевым полкам, и в разведывательные авиаполки; последние в наиболее полной мере могли использовать скорость и потолок новой модификации "пешки". Такие самолеты имела, например, одна из эскадрилий 99-го гв. орап, летом 1944 г. три машины получил 39-й орап. В этих полках с самолетов снимали тормозные решетки. Имелись такие самолеты и в обычных бомбардировочных полках, но они также эксплуатировались по большей части как разведчики. На Пе-2 с моторами М-82Ф летал в конце войны командир 4-й гв. бад Герой Советского Союза генерал-майор Ф. Котляр, известный воздушный разведчик.

Надо сказать, что на фронте недолюбливали эти машины. Надежность новых мотоустановок так и не достигла уровня старых. Поступали жалобы на неустойчивую работу моторов, тяжелый запуск; двигатели глохли при переохлаждении на высоте, особенно зимой. Внедрение новых двигателей принесло больше хлопот, чем пользы. Модификации Пе-2 с моторами М-105ПФ и М-82 довольно существенно отличались друг от друга узлами и агрегатами, что создавало немало трудностей в производстве и обслуживании. Недоведенность новой мотоустановки не позволяла полностью использовать ее преимущества. Исчезла и первоначальная причина создания модификации: М-105ПФ в достаточном количестве стали поступать с моторных заводов, а у М-82Ф нашлись другие массовые "потребители" — истребитель Ла-5 и бомбардировщик Ту-2. Не было никакого смысла ломать хорошо налаженный процесс выпуска Пе-2. Поэтому после изготовления 32 серийных машин с моторами воздушного охлаждения их производство прекратили и вернулись к использованию старой мотоустановки. Вместо производства Пе-2 с моторами М-82 завод № 22 получил новое задание — восстановление выпуска Пе-3, но уже с моторами ВК-105ПФ.

На заключительном этапе серийного производства

Пе-2 постройки 1945 г. практически не отличались от самолетов выпуска конца 1944 г. Эволюция пикировщика Петлякова закончилась. Мясищев усердно работал над своим "советским Москито" — Пе-2И и его упрощенным вариантом Пе-2М, которым так и не суждено было встать в строй.

Количество "пешек" в ВВС постоянно увеличивалось (на 1 января 1945 г. их насчитывалось 1314 в варианте бомбардировщика и 345 в варианте разведчика), но их доля в самолетном парке относительно других типов не росла. Более того, у них появился мощный конкурент - бомбардировщик А.Н. Туполева Ту-2. Впервые несколько Ту-2 появилось на фронте еще в 1942 г. во время войсковых испытаний. На Курской дуге было всего 18 Ту-2 в 285-й бад полковника В.А. Сандалова, которые применялись в основном в качестве разведчиков. А в мае 1944 г. под Ленинградом 334-я бад полковника Н.П. Скока уже целиком состояла из этих самолетов. Ту-2 превосходил Пе-2 и по летным данным, и по вооружению, и по бомбовой нагрузке. Однако до самого конца войны самолет Петлякова оставался основным и наиболее распространенным советским бомбардировщиком.

Пе-2 действовали по всей Восточной Европе, сопровождая наступление советских войск. Большую роль сыграли Пе-2 в боевых операциях в Польше, Чехословакии, Венгрии. В январе 1945 г. во время Висло-Одерской операции они выступили в составе 779-й бап не только в своей основной роли фронтовых бомбардировщиков, но и как транспортные самолеты, доставляя горючее вырвавшимся вперед частям 2-й гв. танковой армии. В апреле 1945 г. эти самолеты внесли свой вклад в штурм Кенигсберга и военно-морской базы Пиллау, когда ПВО противника уже была малоэффективна, а истребители встречались редко. С Пе-2 сбрасывали бомбы крупных калибров - 250 и 500 кг. Например, при штурме крепости Кюстрин капитан В.П. Мельник из 96-го гв. бап с первого же захода поразил ФАБ-500 крупный склад боеприпасов, вызвав огромный взрыв.

Рабочее место пилота

В Берлинской операции участвовали 743 пикировщика Пе-2 и Ту-2. Только один 3-й бак утром 25 апреля послал на Берлин 156 Пе-2. Например, 30 апреля целями "пешек" стали здание гестапо и мост через реку Шпрее в Берлине. На город сыпались бомбы с надписями "Для Гитлера", "Для Геринга", "В логово зверя". По-видимому, последний боевой вылет Пе-2 на бомбометание в Европе был совершен 8 мая 1945 г. Советские летчики бомбили порт в Лиепае, откуда немцы пытались морем уйти в Швецию. Разведывательные полеты в Чехословакии и Австрии совершались и позже. Участвовали "пешки" и в короткой кампании на Дальнем Востоке. Например, пикировщики 34-го бап во время ударов по портам Расин и Сейсин в Корее потопили три транспорта и два танкера и повредили еще пять транспортов.

В июне 1945 г. последовало решение о прекращении всех работ по боевым вариантам Пе-2 и их серийного производства. Завод № 22 с 492-й серии продолжал выпускать только учебные УПе-2. Их производство продолжалось до декабря 1945 г. За год изготовили 1634 "пешки", в том числе 232 после войны. Всего за 1940-1945 гг. по официальным данным было выпущено 11070 бомбардировщиков, разведчиков и учебных Пе-2, из которых ВВС приняли 10574 самолета, в том числе пять Пе-2И. Из этого количества основную долю — 10058 машин — построил завод № 22, 764 — завод № 39, 104 — завод № 124 и 144 — завод № 125.

Ни один советский бомбардировщик ни до, ни после Пе-2, не выпускался в таких количествах. Для сравнения: ДБ-3 и Ил-4 всех модификаций было изготовлено 6784, Ту-2 — всего 2527, причем большая часть последних была сделана после войны. Однако, несмотря на массовость производства, после окончания боевых действий Пе-2 довольно быстро исчез из самолетного парка наших ВВС. Многие полки были расформированы, а остальные перевооружены на более совершенные Ту-2. К 1950 г. "пешек" в строю практически не осталось, хотя отдельные экземпляры летали аж до второй половины 1952 года (34 бад 54 ВА на дальнем востоке).