После замены двигателя капитан Васильченко поднял Пе-2И в воздух для определения максимальной скорости полета. Обычно самолет чуть-чуть (или более того) "не дотягивает" до расчетного значения. При испытаниях Пе-2И произошел редкий случай — удалось получить на второй границе высотности скорость 654 км/ч, что на 14 км/ч превышало расчетную величину. С такой скоростью, по имевшимся в то время в ОКО-22 данным, не летал ни один известный двухмоторный бомбардировщик (на самом деле некоторые варианты "Москито", в частности бомбардировочные В.IX и B.XIV, развивали еще в 1943 г. максимальную скорость порядка 680 км/ч, но на существенно большей высоте).

Немедленно пошел доклад "наверх". К испытаниям самолета Пе-2И оказалось приковано внимание руководства ВВС, НКАП и авиационного отдела ЦК ВКП(б). О машине доложили И.В. Сталину. Поступило распоряжение немедленно передать Пе-2И на государственные испытания в НИИ ВВС. У Мясищева исчезли проблемы с добыванием моторов ВК-107А, но появились новые —  как сделать так, чтобы "сыроватые" двигатели не похоронили машину. Наступила череда мучительных доводок.

Испытания в НИИ ВВС проводила бригада в составе: ведущий инженер — инженер-майор Г.В. Грибакин, летчик —   майор A.M. Хрипков, штурман — старший лейтенант Ромашко. В ходе первого этапа испытаний, проводившихся в мае-июле, пришлось четыре раза менять моторы, у которых то происходила раскрутка винтов, то прорывало газы через верхнее уплотнение блока цилиндров, то начиналось выбрасывание масла из суфлеров. Двигатели ВК-107А не сдавались и упорно расшатывали нервы испытателям и конструкторам самолета. И все же полученные в результате нечастых удачных полетов данные оказались весьма высокими: максимальная скорость полета у земли — 556 км/ч, на первой границе высотности — 617 км/ч и на второй границе — 656 км/ч, а время набора высоты 5000 м лишь ненамного отличалось от расчетного — 7 мин. По комплексу летно-технических характеристик Пе-2И уверенно вышел на первое место в своем классе. Перетяжеление опытного самолета на 500 кг планировалось уменьшить в серии до 100-150 кг. Предполагалось также смонтировать новые законцовки крыла, увеличивавшие его размах до 17,8 м, а площадь до 43,5 м².

В отличие от обычных серийных Пе-2 новая машина прилично вела себя на посадке, не так быстро теряла скорость после выравнивания. Благодаря новому профилю сваливания на крыло не наблюдалось, после касания земли самолет не имел тенденции к развороту. Хрипков в своем заключении указывал: "По технике пилотирования самолет Пе-2И доступен летчикам средней квалификации. В целом по своим летно-техническим свойствам самолет Пе-2И имеет большое преимущество перед находящимся в настоящее время на вооружении ВВС КА самолетом Пе-2".

Проведенные учебные воздушные бои с трофейным истребителем Bf 109G-4 убедительно продемонстрировали, что в горизонтальном полете на высоте до 7000 м "немец" ни разу не смог атаковать Пе-2И, уступая ему в скорости. В районе цели, когда "пешка" выполняла второй заход, "мессер" лишь однажды смог поймать ее в прицел, причем почти строго с хвоста, рискуя напороться на огонь ДЭУ. Отрываться от истребителя набором высоты или пологим планированием для Пе-2И оказалось невыгодно, поскольку Bf 109G-4 обладал преимуществом в вертикальной скорости и в разгонных характеристиках. В целом, новый советский бомбардировщик проявил несомненные "москитные" способности по уклонению от боя с неприятельскими истребителями, что должно было способствовать сокращению потерь бомбардировщиков на фронте.

В июле 1944 г. командующий ВВС главный маршал авиации А.А. Новиков наложил резолюцию на акт по испытаниям Пе-2И: "По своей дальности, бомбовой нагрузке и скоростям самолет заслуживает внимания и его надо освоить запуском в серию. Доработать:
—  уменьшить разбег и взлетные дистанции;
— улучшить вооружение — имеющееся вооружение слабое.

При больших взлетных дистанциях его трудно приспособить для ночного перехватчика-истребителя".

Успешно завершенные испытания получили высокую оценку и на уровне правительства страны. 19 августа 1944 г. Мясищеву было присвоено звание генерал-майора инженерно-технической службы. В тот же день он был награжден орденом Суворова II степени.

Казалось бы, все шло отлично. Еще в конце мая 1944 г. ГКО принял постановление № 5947, в соответствии с которым заводу №22 поручалось изготовить малую серию (пять машин) Пе-2И к 15 октября 1944 г. Однако это постановление не было выполнено. Основными причинами являлись, во-первых, нежелание руководства НКАП и завода сокращать объемы выпуска обычных Пе-2 и, во-вторых, трудности с освоением серийного производства моторов ВК-107А, которые, прежде всего, предназначались для истребителей Як-9У

В ноябре прошел государственные испытания второй экземпляр Пе-2И. В том же месяце вышло повторное постановление ГКО, призванное подстегнуть развертывание производства Пе-2И на казанском заводе. Первый серийный самолет должен был выйти на летное поле 15 января 1945 г., а последний, пятый из малой серии — 10 февраля. Основные дефекты планировали устранить в ходе войсковых испытаний, а затем полностью перевести казанский авиазавод на массовую постройку Пе-2И.

Но завод № 22, продолжавший "гнать серию" для фронта, оказался не в состоянии выполнить работы в срок. Лишь в конце февраля был готов первый серийный Пе-2И, а четыре других выходили с темпом один экземпляр в десять дней (в то время как обычные "пешки" сдавали по 7-9 единиц ежедневно). Слишком ограниченными оказались возможности опытного цеха завода, а директор предприятия В.А. Окулов не захотел снимать специалистов и оборудование с конвейера. Камнем преткновения при отладке Пе-2И стала ДЭУ, которую так и не удалось довести до требуемого уровня надежности. Достаточно сказать, что на второй серийной машине (заводской № 2/1001) пришлось семь раз менять подвижную часть установки.

В январе 1944 г. приказом НКАП № 22 была задана постройка третьего экземпляра Пе-2И в варианте тяжелого истребителя. Предусматривалось применение весьма мощного наступательного вооружения: в подфюзеляжной батарее планировали установить две пушки НС-45 с запасом снарядов по 45 штук на ствол. В ноябре 1944 г. пушечный лафет и стенд для отладки всей установки были изготовлены и отправлены в Москву на завод № 482. Главный конструктор принял решение не строить третий опытный самолет, а смонтировать батарею на головном серийном Пе-2И. Однако сразу после изготовления эта машина стала объектом придирчивого внимания военпредов завода № 22, которые выявили на ней массу дефектов и потребовали их устранения. Ни один из выпущенных Пе-2И не был доведен до боеготового состояния вплоть до июня 1945 г. и не был оплачен ВВС, поэтому все дальнейшие работы по истребительному варианту постепенно зашли в тупик.