В связи с введением третьего члена экипажа, увеличением массы бронирования и вооружения, Пе-2М оказался заметно тяжелее предшественника и перестал соответствовать нормам прочности по ряду показателей. Стойки шасси и колеса уже "не держали" двенадцатитонную машину. Усложнилось покидание самолета в воздухе, поскольку установка ВУ-5-20 серьезно мешала сбросу фонаря. По-прежнему досаждали дефекты моторов ВК-107А. Они нарабатывали по 47-54 ч в воздухе, после чего с завидной регулярностью принимались "стрелять шатунами". Течи водяных и маслорадиаторов, а также различных уплотнений считались почти нормальным явлением. Отмечались другие отказы, в том числе и у новых подвижных установок вооружения. Механизированные пушечные установки получились тяжелыми, инертными и плохо управляемыми.

К моменту окончания госиспытаний Пе-2М "на самом верху" уже было принято принципиальное решение о прекращении производства всех вариантов "пешек". Поэтому заключение акта по испытаниям имело уклончивый характер: " 1. Предъявленный на государственные испытания дневной бомбардировщик Пе-2М с 2ВК-107А по летно-техническим данным отвечает современным требованиям к данному типу самолетов...

5. В связи с большим количеством дефектов, выявленных в процессе испытаний и перечисленных в выводах настоящего акта, самолет испытания не выдержал и подлежит возвращению главному конструктору тов. Мясищеву В.М. для доводки и устранения дефектов..." Ни один из четырех построенных Пе-2М так никогда и не был принят ВВС.

Бомбардировщик Пе-2М из малой серии, так и не принятой ВВС

Все эти машины впоследствии передали заводам № 26 и № 482 для проведения опытных работ. Но это произошло во второй половине 1945 г., а в мае 1944 г. наметившийся успех с Пе-2И стал отправной точкой для целой программы по созданию так называемого "дневного скоростного бомбардировщика". В соответствии с приказом НКАП № 358 от 27 мая 1944 г. ОКО Мясищева ставилась задача наряду с доводкой и передачей на госиспытания Пе-2И, "спроектировать и построить в двух экземплярах и предъявить на государственные испытания в декабре 1944 г. двухмоторный скоростной дневной бомбардировщик с моторами ВК-108 без стрелкового вооружения со следующими данными:
—  максимальная скорость полета на высоте 6000 м — 700 км/ч;
—  дальность полета с 1000 кг бомб внутри фюзеляжа — 2000 км..."

В августе эскизный проект нового дневного скоростного бомбардировщика ДБ-2ВК-108 (другие применявшиеся названия — ДБ-108 и ДСБ-2ВК-108) был готов. В основу его конструкции была положена схема Пе-2И с дальнейшим увеличением объема фюзеляжного бомбоотсека. Выросшая полетная масса самолета вполне компенсировалась установкой двух мощнейших двигателей ВК-108 с четырехлопастными винтами ВИШ-108Л20 (в опытном порядке отладку ВК-108 на "долгожителе" Пе-2Ф производил моторный завод № 26). Мотор ВК-108 практически не отличался по габаритам и массе от ВК-107А, но имел новый двухскоростнои нагнетатель с регулирующими лопатками Поликовского и был на 150-200 л.с. мощнее.

Помимо винтомоторной группы и увеличенного бомбоотсека (стала возможной внутренняя подвеска укороченной бомбы ФАБ-2000М44), новая машина отличалась от Пе-2И измененной конфигурацией мотогондол, улучшенной аэродинамикой и колесами большего размера (1000x350 мм), соответствовавшими возросшей взлетной массе. И хотя постановление ГКО № 5947 от 22 мая 1944 г. и приказ НКАП не предусматривали оснащения ДБ-108 оборонительным вооружением, Мясищев вскоре вынужден был отказаться от такого радикализма (он учел мнение А.А. Новикова о Пе-2И). Поэтому 10 декабря 1944 г. на макетной комиссии рассматривался вариант с пушкой УБ-20, установленной неподвижно под сиденьем пилота, а также с хвостовой дистанционно управляемой установкой ДЭУ (20-мм пушка УБ-20) с боекомплектом из 80 снарядов.

Как вариант вооружения для ДБ-108 предусматривалось размещение в бомбоотсеке пары пушек НС-37 (или НС-45) с боекомплектом по 50 патронов на ствол. Экипаж предусматривали прикрыть 10-мм бронеспинками, 8-мм заголовниками и 5-мм чашками сидений. По сравнению с Пе-2И фонарь заметно расширили и немного опустили, что положительно сказалось на обзоре и условиях работы экипажа. Увеличенное остекление нижней носовой части фюзеляжа заметно упростило штурману ориентирование, выход на цель и прицеливание.