Еще одной частью, получившей осенью 1941 г. истребители Пе-3, являлся 9-й ббап. Войну он начал на аэродроме Паневежис в Прибалтике. Всего за четыре дня боев в результате неоднократных ударов немецкой авиации по аэродрому базирования и атак немецких истребителей в воздухе полк потерял почти все свои бомбардировщики СБ, после чего был выведен в резерв. В июле-августе личный состав части прошел переучивание на пикирующие бомбардировщики Пе-2. Тогда же полк перешел на новый штат (20 самолетов и экипажей), выделив из своего состава полк "9-А" (впоследствии 723-й ббап). В сентябре 1941 г. 9-й ббап получил на вооружение дальние истребители Пе-3, но наименование его не изменилось. В период с октября 1941 по февраль 1942 г. часть базировалась на Центральном аэродроме в Москве, в том самом месте, где сейчас городской аэровокзал. Командовал полком майор В. Лукин.

Большую часть боевых вылетов в октябре-ноябре 1941 г. самолеты 9-го ббап выполнили для нанесения бомбо-штурмовых ударов по наступающим немецким войскам. Другой важной задачей стало прикрытие участков железной дороги Москва-Загорск и Москва-Дмитров. За периоде октября 1941 по февраль 1942 г. экипажи полка сбили 11 вражеских самолетов, включая 6 Bf 109. За эти же 5 месяцев дальние истребители 9-го ббап выполнили 130 боевых вылетов на разведку.

В конце ноября 1941 г. полк подчинили непосредственно Главному штабу ВВС КА и возложили на него выполнение особых задач. Важнейшей из них стало лидирование направляемых на фронт групп истребителей и штурмовиков, летчики которых имели недостаточную навигационную подготовку. Более двух тысяч боевых самолетов различных типов буквально "привели за руку" на фронтовые аэродромы базирования "пешки" из 9-го ббап.

Наиболее подготовленные экипажи полка привлекались к решению другой особо важной задачи - сопровождению правительственных самолетов. За три неполных месяца полк совершил 95 самолето-вылетов на сопровождение. Случались и неприятности. Зима выдалась ранняя, и полеты нередко производились в сложных метеоусловиях. 21 ноября 1941 г. командир полка майор Лукин, лично возглавивший шестерку Пе-3, сопровождал самолет DC-3, на котором летели маршал С.М. Тимошенко и член Политбюро ЦК ВКП(б) Н.С. Хрущев. В условиях сильной облачности самолеты шли плотной группой. В очередной раз выскочив из облака, Лукин увидел прямо перед собой хвост охраняемого "дугласа" и отвернул влево.

В результате его самолет столкнулся с машиной ведомого и разбился. Лукин и его штурман погибли, экипаж второго самолета спасся на парашютах.

В конце декабря 1941 г. двухмоторные истребители Пе-3 из 9-го ббап были доработаны: в носовой части фюзеляжа установили пушку ШВАК, а на турели штурмана крупнокалиберный пулемет БТ. Почти всю работу выполнил самостоятельно личный состав инженерно-авиационной службы полка. К вечеру 31 декабря все работы были завершены, и в новый 1942 г. полк вступил, располагая существенно большими возможностями.

В ходе одного из полетов на лидирование эскадрильи истребителей ЛаГГ-3 самолет Пе-3 капитана К. Данилкина был атакован 14 немецкими истребителями неподалеку от Воронежа. Это произошло 5 июля 1942 г. в районе аэродрома посадки, когда у истребителей ЛаГГ-3 практически не осталось топлива для ведения воздушного боя, да и пилотировали их неопытные новички. Немецкие пилоты все внимание сосредоточили на самолете-лидере, решив, что на борту его находится какая-то важная персона.

Штурман К. Мантуров из турельного пулемета сбил одного за другим два Bf 109. Еще один упал, прошитый очередями носовой установки. Последний, четвертый, Bf 109 Данилкин сбил уже на горящем самолете. Пулемет штурмана молчал, когда немецкие истребители заходили в последнюю атаку. Самолет капитана Данилкина взорвался в воздухе. Он оказался единственным Пе-3, потерянным 9-м ббап в воздушном бою за восемь месяцев боев. Еще два Пе-3 сбила зенитная артиллерия немцев, один не вернулся с боевого задания, а пятая машина была потеряна при налете вражеской авиации на аэродром Грабцево. В авариях и катастрофах полк лишился еще четырех Пе-3.

511-й ббап был сформирован в середине сентября 1941 г. на базе разделившегося пополам 40-го сбап. Командиром полка назначили капитана А. Бабанова. В сентябре 511-й ббап укомплектовали двумя десятками новеньких Пе-3, а 10 октября он начал боевую работу в составе ВВС Западного фронта. В ходе отражения немецкого наступления на Москву, а впоследствии и в контрнаступлении полк применялся в основном для нанесения бомбо-штурмовых ударов. Базируясь на аэродроме в Ногинске, 511-й ббап затри месяца совершил более 320 боевых вылетов и по докладам экипажей уничтожил свыше 30 танков, 8 самолетов на аэродромах, 4 железнодорожных эшелона и до 30 орудий.