Экипаж самолета состоял из двух человек — летчика и штурмана. Фонарь кабины хорошо обтекаемой формы обеспечивал пилоту удобную посадку и отличный обзор. Неподвижная пушка УБ-20 (на опытных машинах вместо нее сохранили пулемет УБК калибра 12,7 мм) размещалась под сидением летчика, что исключало его ослепление при ночной стрельбе — пламя от выстрелов закрывал нос самолета. Дистанционно управляемый пулемет УБК устанавливался в хвостовом коке и обеспечивал углы обстрела вверх — 18°, вниз — 12° и влево-вправо — по 16°. Его патронный ящик вмещал ленту со 100 патронами. Электромеханическая система обеспечивала отслеживание стволом пулемета прицельной линии. Для отражения атак истребителей в нижней полусфере штурман использовал оптический прицел-перископ ОПСК. Наблюдение в верхней полусфере производилось через остекление фонаря, а прицеливание с использованием коллиматорного прицела К8-Т. Хотя углы обстрела подвижной установки были сравнительно невелики, но с учетом большой скорости полета бомбардировщика они, по расчетам, обеспечивали удовлетворительную защиту сзади. При догоне истребитель противника мог пристроиться для атаки в относительно небольшом угловом секторе. Однако военные специалисты скептически отнеслись к расчетным оценкам и предпочли подождать результатов воздушных боев с трофейными немецкими истребителями.

Защита экипажа самолета от огня противника включала бронеспинку, заголовник и бронированное сидение летчика, а также две вертикальные плиты, прикрывавшие штурмана, то есть радикально не отличалась от примененной на серийном Пе-2. Дополнительные оборонительные возможности обеспечивали два гранатомета ДАГ-10. Эти нехитрые приспособления уже доказали на фронте свою эффективность. Взрыв 1,8-килограммовой гранаты на небольшом расстоянии от неприятельского самолета сулил ему крупные неприятности.

Бомбоотсек Пе-2И по сравнению с Пе-2Ф удлинили: в него можно было упрятать на выбор одну бомбу ФАБ-1000М43 (для этого пришлось-таки немного укоротить ей стабилизатор), одну ФАБ-500М43 (тоже "обрезанную"), пару штатных ФАБ-250, либо девять ФАБ-100. Большая часть вариантов предусматривала применение их как с горизонтального полета, так и с пикирования под углом 40-70°. На внешней подвеске два замка МДЗ-40 обеспечивали возможность подвески еще двух ФАБ-500 (или бомб меньшего калибра). Максимальная бомбовая нагрузка по сравнению с серийной "пешкой" возрастала в полтора раза, зато нормальная, при которой впоследствии снимали летно-технические характеристики, даже уменьшилась до 500 кг.

По расчетам бомбардировщик Пе-2И был способен развить максимальную скорость 640 км/ч на высоте 5850 м, а у земли — 525 км/ч, то есть даже немного больше, чем серийный Пе-2 на боевой высоте. Его практический потолок должен был составлять не менее 10500 м, а время набора высоты 5000 м — всего 6,8 минуты. Нормальный полетный вес машины определялся равным 8430 кг, перегрузочный — 9600 кг, а длина разбега и пробега, соответственно, 430 и 410 м.

Дистанционная электрифицированная установка ДЭУ-1 с пулеметом УБК в хвостовом коке Пе-2И.

К проектированию машины коллектив ОКО-22 приступил поздней осенью 1943 г., но официальное постановление ГКО № 4934, содержавшее задание на постройку двух опытных образцов, вышло только 12 января 1944 г. Макетная комиссия по самолету Пе-2И прошла в конце февраля 1944 г., когда первый экземпляр самолета был уже готов на 70%. Замечания комиссии в основном были связаны со стрелковым вооружением, которое признали недостаточным (как указывалось выше, на первом опытном Пе-2И в неподвижной установке стоял пулемет УБК вместо обещанной Мясищевым пушки УБ-20), а также с размещением спецоборудования. Комиссия приняла решение на первом опытном Пе-2И ничего не менять, а все замечания потребовала устранить на "дублере" и первых серийных машинах.

Летчик-испытатель завода № 22 капитан А.Г. Васильченко впервые поднял машину в воздух 6 апреля 1944 г., а 7 и 8 апреля совершил на ней еще два полета. Моторы работали удовлетворительно, температурные режимы винтомоторной группы оказались в норме. Васильченко определил важнейшие характеристики самолета — устойчивость по всем трем осям, управляемость и взлетно-посадочные качества. По этим показателям новая машина не уступала Пе-2, а по простоте пилотирования Пе-2И оказался в заметном выигрыше. В частности, путевая устойчивость была заметно лучше (что отмечалось еще на Пе-2Ф и являлось следствием, по-видимому, среднепланной схемы машины). Неприятной неожиданностью стало то, что разбег и пробег реально оказались в полтора раза больше расчетных.

Перед снятием высотно-скоростных характеристик и замером скороподъемности самолет вновь завели в опытный цех для устранения мелких дефектов и окраски. Летные испытания возобновились через неделю, но при опробовании моторов на земле обнаружили стружку в масле, что свидетельствовало о повреждении подшипников. Мотор нужно было менять. Тем временем в опытном цехе заканчивали сборку второго опытного Пе-2И. В ходе статиспытаний выявилась недостаточная прочность крыла самолета, поэтому на "дублере" усилили полки лонжеронов. Установили пулемет под сиденьем пилота (обещанную пушку так и не успели отработать), добавили брони, устранили выявленные макетной комиссией недостатки. Масса самолета несколько возросла. Опытно-конструкторский отдел прорабатывал две дальнейшие модификации машины: с двигателями М-1 и с трехколесным шасси с носовой опорой. Эти проекты, впрочем, так и остались на бумаге.