В сентябре 1943 г. вышел на заводские испытания первый из запланированных вариантов — Пе-2А. Помимо заранее намеченных новшеств в его конструкции были реализованы и другие.

Так, изменили оперение: рули поворота стали прорезными, а с внешней стороны килей появились выступающие законцовки стабилизатора. Трубки системы нейтрального газа полностью убрали внутрь крыла, всасывающие патрубки карбюраторов оборудовали врезными фильтрами, ввели аварийную механическую уборку тормозных решеток с помощью ручной лебедки.

В ходе испытаний заводскому летчику капитану Васильченко не удалось получить запланированную максимальную скорость полета 540 км/ч. Машину пришлось дважды модифицировать, вводить все новые и новые улучшения, но она постепенно отставала от серии, поэтому внимание Мясищева переключилось на другой объект — Пе-2Б, а самолет № 17/176 в дальнейшем переделали в его "дублер". С течением времени перечень изменений, предусмотренных для Пе-2Б, несколько раз пересматривался, но значение этого самолета, как наиболее реального претендента на роль эталона серии для 1944 г., постоянно возрастало. Постройка его, однако, затянулась, и самолет был готов к полетам только в декабре 1943 г. От переноса маслорадиатора в крыло пришлось отказаться (в опытном цехе завода катастрофически не хватало рабочих, все силы были брошены на выпуск серийных "пешек"), остался неизменным и профиль крыла серийного Пе-2. Всасывающий патрубок нагнетателя смонтировали в одном туннеле с маслорадиатором — в "бороде" под редуктором мотора. На этом самолете были реализованы почти все предложения ЦАГИ, опробованные при переделке серийной машины № 19/205. Но в отличие от самолета, модифицированного институтом, Пе-2Б был лишен "излишеств" (например, быстро разрушающейся шпатлевки, нанесенной на тонкую металлическую обшивку), но зато оборудовался новой кабиной пилота-штурмана с увеличенным фонарем и стрелковой установкой "ФЗ".

Зима 1943-1944 гг. выдалась в Казани исключительно суровой, со снежными заносами, метелями и температурой воздуха до -35 °С. В этих условиях аэродром завода "захлебнулся" и не смог пропустить через себя массу серийных самолетов (в месяц завод № 22 выпускал 200-240 машин, т. е. 10-12 серий).

На летном поле скопилось большое количество "нормальных" бомбардировщиков. Испытания Пе-2Б также откладывались. Во время небольшого перерыва в снегопадах удалось спешно подготовить аэродром к полетам, но ... неожиданно наступила оттепель. В конце января аэродром раскис - летать снова было нельзя. Так продолжалось до конца февраля.

"Грибки" вместо жалюзи на выходе из туннелей водяных радиаторов - характерная черта Пе-2Б.

Первые испытательные полеты Пе-2Б принесли разочарование — максимальная скорость составила всего 524 км/ч вместо запланированных 560 км/ч. Началось скрупулезное исследование влияния различных факторов на скорость полета: положение створок масляных и водорадиаторов, формы туннелей, всех выступающих деталей. Постепенное введение улучшений дало прибавку скорости — 10 км/ч. Вскоре после передачи Пе-2Б на государственные испытания выяснилось, что моторамы силовых установок имеют трещины (один из конструктивно-технологических дефектов Пе-2, оставшийся не устраненным до самого окончания его производства).

Самолет вернули на завод для усиления моторам. Снова в НИИ ВВС он попал только в мае-июне 1944 г., когда Пе-2И уже летал. Хотя по результатам госиспытаний Пе-2Б рекомендовали в серию, НКАП отклонил это предложение, сделав ставку на "суперпешку" - Пе-2И.

Самолет Пе-6 с моторами М-107А (прежнее название - Пе-2Д) являлся непосредственным развитием идеи Пе-2Ф. Для его постройки использовали второй экземпляр самолета модификации "Ф", имевший заводской № 5/134. В этом варианте предполагались увеличение полетного веса до 9900 кг, реализация всех изменений аэродинамики по типу Пе-2В, в том числе перенос маслорадиаторов и всасывающих патрубков в крыло, улучшение формы мотогондол. Ожидалось получение максимальной скорости полета порядка 590 км/ч и дальности 1500 км при нормальной бомбовой нагрузке 1000 кг. Оборонительное вооружение самолета проектировалось по типу Пе-2В, включая увеличенный фонарь пилота со штурманской турельной установкой "ФЗ".

Осенью 1943г. Мясищева увлекла более радикальная идея коренной переработки концепции фронтового бомбардировщика. Новый взгляд базировался на успехе скоростных английских самолетов "Москито", лишенных оборонительного вооружения. Постепенно работа над Пе-6 прекратилась, зато "советский Москито" создавался ударными темпами. Мясищев пожертвовал "шестеркой" в пользу "журавля в небе" - будущего Пе-2И. Машину № 5/134 впоследствии использовали на заводе № 26 для отладки варианта "пешки" с моторами ВК-108.

Круг задач, поставленный главным конструктором перед ОКО-22 и опытным цехом, не исчерпывался перечисленными выше модификациями. В ноябре 1943 г. начались заводские летные испытания самолета Пе-2 с новыми моторами М-1. Двигатель, созданный под руководством С.Д. Колосова на заводе № 16, представлял собой непосредственное развитие М-105 с сохранением его внешних форм и основных размеров (диаметр цилиндров был незначительно увеличен). По расчетам, М-1 должен был обеспечивать максимальную мощность 1500 л.с. у земли и 1300 л.с. на второй границе высотности 5000 м (напомним, что М-105ПФ у земли имел мощность 1210 л.с., а на второй границе высотности 2700 м — всего 1180 л.с.).