На истребителе несколько усилили наступательное вооружение, разместив в носовой части фюзеляжа дополнительный пулемет БК калибра 12,7 мм с боезапасом 150 патронов. Таким образом, носовая стрелковая установка опытного самолета состояла из двух крупнокалиберных пулеметов БК и одного ШКАСа с 750 патронами. На серийных Пе-3 пулемет ШКАС сняли, но зато увеличили боезапас у БК до 250 патронов на ствол.
Верхнюю турельную установку штурмана с пулеметом ШКАС взяли без изменений от Пе-2. Поскольку назад-вниз вести огонь было некому, вспомнили об отработанной еще для высотного истребителя "100" хвостовой неподвижной установке пулемета ШКАС с боекомплектом 250 патронов, которую и смонтировали в хвостовом коке фюзеляжа. Бомбардировочную установку радикально упростили.
От обычной для Пе-2 схемы остались лишь четыре бомбодержателя: два в бомбоотсеках мотогондол и два наружных под центропланом. Суммарная масса бомбовой нагрузки составляла: нормальная — 400 кг, а перегрузочная — 700 кг (две бомбы по 250 кг и еще две по 100 кг). Электрическую систему управления сбрасыванием бомб демонтировали, оставив только аварийную механическую.
Тормозные решетки под консолями вместе с приводами были ликвидированы. Забегая вперед, следует признать, что это мероприятие вряд ли себя оправдало. В своей будущей карьере Пе-3 пришлось чаще выступать в роли бомбардировщика, чем истребителя, поэтому тормозные решетки ему вполне пригодились бы. Из-за отсутствия решеток "тройки" никогда не бомбили с крутого пикирования, что снижало их боевую эффективность.
Вместо "бомбардировочной" радиостанции РСБ-бис в кабине штурмана установили станцию РСИ-4, обычную для истребителей. Это "нововведение" также вряд ли можно признать удачным. При боевом радиусе 700...800 км дальность связи самолета с землей составляла всего 110 км, а с другими самолетами и того меньше — 50-60 км. Положение еще более ухудшилось из-за снятия с истребительного варианта "пешки" радиополукомпаса, что было сделано с целью облегчения конструкции.
Опытный самолет, переделанный из уже законченного производством серийного бомбардировщика Пе-2 заводской № 391606 (что означало — шестой самолет шестнадцатой серии завода № 39), весил при нормальной загрузке 7860 кг. Масса пустого составляла 5890 кг. На испытаниях в НИИ ВВС Красной Армии удалось получить следующие основные летно-технические характеристики: максимальную скорость на высоте 5000 м — 530 км/ч, потолок — 8800 м и максимальную дальность полета -2150 км. Эти данные признали удовлетворительными, и уже 14 августа завод № 39 получил распоряжение развернуть серийное производство Пе-3. Сроки внедрения вновь установили очень жесткие. К 25 августа завод должен был собрать пять самолетов по образцу опытного, а начиная с этого дня — полностью перейти на производство Пе-3.
Головной серийный истребитель Пе-3 проходил испытания в НИИ ВВС с 29 августа по 7 сентября 1941 г. Заводские номера самолетов продолжали уже использованные на Пе-2: так, первый серийный истребитель имел № 391902. Полеты производились на Центральном аэродроме в Москве. Они выявили примерно такие же летные характеристики, как и у опытного самолета. Максимальная скорость серийной машины, полученная на испытаниях, составила 535 км/ч.
Интересно сравнить летно-технические данные Пе-3 с характеристиками близкого по конструкции и назначению немецкого истребителя Мессершмитт Bf 110C. При практически одинаковой дальности, скорости полета у земли (445 км/ч) и времени набора высоты 5000 м (8,5...9 мин), "мессер" был на 1350 кг легче и обладал лучшей маневренностью в горизонтальной плоскости (он выполнял вираж на высоте 1000 м за 30 с, а Пе-3 — за 34-35 с). Носовая батарея оружия из четырех пулеметов MG 17 и двух пушек MG FF обеспечивала массу секундного залпа, заметно большую, чем у Пе-3. Вместе с тем, на границе высотности мотора советский истребитель был несколько быстроходнее своего германского оппонента.
Серийное производство Пе-3 разворачивалось с большими трудностями. Комплекты чертежей на ряд узлов подготовить не успели, поэтому первые машины собирались по эскизам, а детали подгонялись по месту. Новые крупные сборочные единицы - бензобаки, носовая установка дополнительного пулемета БК и хвостовая установка ШКАС не были в достаточной степени отработаны, что приводило к сбоям в серийном производстве.
В процессе отстрела носовой установки выяснилось, что плексигласовый кок носка фюзеляжа не выдерживает давления дульных газов и разрушается. Его заменили сначала дюралевым, а позднее стальным. Заметим, что отличия, связанные с ликвидацией части остекления в передней нижней части фюзеляжа, являются важнейшими признаками, позволяющими опознать Пе-3 среди пикирующих бомбардировщиков Пе-2, ведь внешне самолеты были очень похожими.
Наблюдались и некоторые другие дефекты. Гильзы и звенья крупнокалиберных пулеметов, выбрасываемые при ведении огня в воздушный поток, били по передней кромке крыла, нижней поверхности фюзеляжа, образуя царапины, вмятины и рваные отверстия в обшивке. В отдельных случаях гильзы залетали даже в тоннели водорадиаторов. Эксперименты с изменением формы гильзо- и звеньеотводов практически ничего не давали. В итоге решили просто собирать гильзы и звенья в ящики боекомплекта.
По оценке ведущего инженера Макарова и летчика Степанчонка, серийный самолет Пе-3 нуждался в доработках, важнейшими из которых должны были стать:
— увеличение огневой мощи наступательного вооружения за счет установки пушки ШВАК в дополнение к двум пулеметам БК;
— усиление оборонительного вооружения путем замены турельного ШКАСа штурмана на крупнокалиберный пулемет БТ;
— введение бронирования экипажа спереди и увеличение размеров задней бронеплиты штурмана;
— замена радиостанции РСИ-4 на другую, с большим радиусом действия;
— установка на часть машин фотоаппаратов для использования Пе-3 в качестве разведчика.
Однако все эти изменения невозможно было внедрить в серию немедленно, поэтому самолеты пошли в строевые части в том виде, в каком головной серийный Пе-3 проходил испытания. Всего в 1941 г. построили 196 Пе-3 (16 — в августе, 98 — в сентябре и 82 — в октябре). Кроме того, завод фактически изготовил еще один истребитель - тот самый первый опытный заводской № 391606, но во всех документах, относившихся к августу и сентябрю 1941 г., он проходил как "Пе-2 в варианте истребителя". В ноябре завод эвакуировался в Иркутск, поэтому вплоть до апреля 1942 г. выпуск Пе-3 прекратился.