Немногочисленные флотские "пешки" сыграли важную роль в ходе тяжелейших оборонительных сражений в Крыму и на Северном Кавказе, иной раз выполняя в день по пять-шесть боевых вылетов.

Помимо борьбы с наступающими мотомеханизированными частями вермахта, авиация Черноморского флота широко привлекалась к нанесению ударов по аэродромам противника. Исключительно любопытную операцию, граничившую с авантюрой, осуществили в ночь на 24 октября 1942 г. Накануне вечером экипаж самолета Пе-3 из 27-й ораэ произвел аэрофотосъемку аэродрома Майкоп, где были обнаружены 28 Bf 109, 4 Ju 88 и 7 связных и транспортных самолетов. В период с 22 ч 30 мин до полуночи по аэродрому наносили удары отдельные бомбардировщики ДБ-3Ф и штурмовики И-15бис, подавившие прожектора и частично — огонь зенитной артиллерии и пулеметов. В 23 ч 30 мин над аэродромом на высоте около 600 м прошли два транспортных самолета, сбросивших парашютный десант. С ПС-84 высадилось 15 парашютистов-диверсантов (трое струсили и отказались прыгать), второй самолет, типа ТБ-3, был подожжен на боевом курсе. Прежде, чем он ударился о землю и сгорел, его успели покинуть с парашютами 8-10 десантников. В полной мере подавить противодействие противника ударами с воздуха не удалось. Парашютисты еще в воздухе подверглись жесточайшему обстрелу с земли, но все же сумели частично выполнить боевую задачу. Совместными усилиями бомбардировщиков, штурмовиков и диверсионных групп капитанов Орлова и Десятникова удалось сжечь 12 и повредить 10 самолетов противника, что подтвердили фотоснимки, полученные экипажем разведчика Пе-3 в ходе утреннего облета аэродрома Майкоп.

Один из экипажей 73-го бап.

Напряженные боевые действия, которые вела Красная Армия в период с осени 1942 г. по весну 1943 г., не позволили существенно нарастить численность "пешек" на Черноморском и Балтийском флотах. Так, на 1 января 1943 г. на Черном море имелось 6 Пе-2 и 5 Пе-3, а авиация Балтийского флота располагала всего 13 Пе-2. К середине года количество "пешек" на Балтике увеличилось до 34 в связи с развертыванием 15-го отдельного разведполка ВВС КБФ (на базе 27-й ораэ), а черноморская авиация располагала 14 Пе-2 и 2 Пе-3. На Северном флоте к этому моменту самолеты Петлякова (37 машин) остались только в составе 28-го орап, 29-го бап и 95-го иап.

После перелома, наступившего в результате летних сражений 1943 г., началось ускоренное наращивание ударной составляющей морской авиации. Особенно это коснулось ВВС Черноморского и Балтийского флотов, численность которых возросла примерно вдвое всего за полгода и была доведена до 400-500 боевых самолетов. Самыми быстрыми темпами увеличивалось количество штурмовиков. В бомбардировочную и разведывательную авиацию флотов наряду с "пешками" стали поступать американские самолеты А-20, широко известные под названием "Бостон" (эта неточность получила широкое хождение уже в послевоенный период в исторических обзорах и мемуарной литературе; в годы войны ленд-лизовские "английские" "Бостоны", отличавшиеся составом вооружения и оборудования, не путали с "исконно американскими" машинами А-20 вариантов В, С, G, J и К).

Пикирующие бомбардировщики Пе-2 стали все чаще применяться именно в качестве пикирующих, т. е. для поражения малоразмерных, прикрытых зенитной артиллерией целей. Так, в мае 1943 г. 73-му бап была поставлена задача: разрушить железнодорожный мост через реку Нарва. Уничтожение узкого моста с применением фугасных бомб калибра 100-250 кг считалось очень сложным делом. По расчетам штурманской службы, для выполнения задачи путем бомбометания с горизонтального полета с высоты 3000-4000 м требовалось 1500 боевых вылетов "пешек". С пикирования мост поручили уничтожить шестерке воздушных снайперов. В течение недели экипажи тренировались на специально оборудованном полигоне. Первые три вылета группы из-за плохих метеоусловий и отказов техники не увенчались успехом. Лишь 21 мая шестерка "пешек", ведомая старшим лейтенантом Голубевым, под прикрытием 3 Як-7 и 4 Ла-5 сумела разрушить мост, добившись четырех прямых попаданий бомбами ФАБ 250. При отходе наши самолеты были атакованы истребителями FW 190, в ходе воздушного боя потери составили 2 Пе-2 и 2 Як-7. Однако основная задача была выполнена — снабжение противника по железнодорожной ветке Таллин-Гатчина прекратилось почти на месяц.

Начиная с 1944 г. ВВС трех флотов предпринимали все более широкомасштабные усилия преимущественно на морских направлениях. Этому способствовало значительное увеличение самолетного парка ВВС Красной Армии, которые теперь почти всегда справлялись с задачами "сухопутными" и не нуждались в помощи со стороны авиации флота. К числу наиболее ярких примеров боевого использования Пе-2 в этот период, безусловно, относится участие в потоплении немецкого крейсера ПВО "Ниобе" в финском порту Котка 16 июля 1944 г.