Серьезной причиной ограничения применения Пе-8 на последнем этапе войны стал выявившийся конструктивно-технологический дефект конструкции самолета, который начал проявляться именно в 1944 году. Все началось с боевого вылета Пе-8 №42611 в феврале 1944 года на Хельсинки. После выполнения боевого задания экипаж, выполняя противозенитный маневр, услышал какой-то звонкий удар где-то позади кабины пилотов. Машина благополучно долетела до своего аэродрома и совершила нормальную посадку. В ОКБ было сообщено, что после посадки самолет был тщательно осмотрен техсоставом, но никаких дефектов обнаружено не было.

Спустя некоторое время такой же удар и приблизительно в том же районе, за кабиной пилотов, зафиксировал экипаж, перегонявший один из Пе-8 на заводской аэродром в Казань. Повторное проявление непонятного дефекта всерьез встревожило ОКБ, начали появляться предположения, что произошло разрушение какого-либо силового элем|ента центроплана. При тщательном осмотре центроплана на этой машине удалось обнаружить след незначительного сдвига нижнего пояса заднего лонжерона по отношению к обойме центрального узла крепления подкосов лонжерона. Как раз этот узел находился позади передней кабины экипажа. Анализ следа сдвига показал, что труба пояса лонжерона вышла из под обоймы узла на 1-2 мм. Причиной подобного мог быть только разрыв самой трубы, что подтвердилось после снятия обоймы узла, когда перед Незвалем и его коллегами предстала во всей красе труба лонжерона, разорванная по крайнему ряду заклепок. Разрыв был очень ровным и чистым и, казалось как будто специально обрезанным.

Как выяснилось вскоре, все было серьезней и глубже. Еще на этапе проектирования для поясов лонжеронов центроплана, по рекомендации ВИАМ, была выбрана на то время новая высокопрочная сталь 30ХГСА "Хромансиль", по своим характеристикам допускавшая работу при высоких удельных напряжениях и дававшая значительное облегчение конструкции. В то время толком об усталостных напряжениях и их влиянии на долговечность мало что было известно, и никаких рекомендаций со стороны ЦАГИ и ВИАМ у самолетчиков по этим особенностям работы материалов и конструкций не было. На момент проявления дефекта в ОКБ были далеки от понимания существа проблемы. Еще раз тщательно проверили прочностные расчеты, убедились, что действующие напряжения не только не превышают допустимых значений, но и имеют достаточный запас прочности. Дальше копаться не стали, решив, что в этом месте трубы лонжеронов, видимо, имеют какое-то местное ослабление, и приняли решение о местном усилении конструкции. После этого разобрали этот же узел на Пе-8 №42611, на котором впервые проявился дефект - труба лонжерона была также срезана. Разработка конкретных конструктивных мероприятий по усилению трубчатого лонжерона оказалась достаточно сложной конструкторской и технологической задачей, ведь предстояло проводить усиление на самолетах, которые находились в строю. На части парка Пе-8 провели доработки, ограничив для остальных машин максимальную бомбовую нагрузку на уровне 3200 кг. Случаи разрыва труб лонжеронов прекратились, и о проблеме и в ОКБ, и в эксплуатации вскоре забыли.

Одновременно в ЦАГИ и ВИАМ провели дополнительные исследования "Хромансиля", ведь помимо Пе-8 подобное разрушение лонжеронов зафиксировали на истребителе Ла-7, а это уже было более чем серьезно. Количество Пе-8 исчислялось десятками, а истребители с маркой "Ла" строили тысячами.

Детальные исследования разрушенных деталей из 30ХГСА, проведенные доктором технических наук Н.И. Мариным, показали, что эта высокопрочная сталь, работая при высоких напряжениях, склонна к усталостным разрушениям и обладает очень низким ресурсом в случае воздействия нагрузок подобного характера.

Ничего не оставалось делать, как снижать расчетные напряжения в сечении лонжеронов. Переходить на другой сортамент труб было нереально, поэтому внутрь труб пропустили дополнительные стальные элементы с довольно сложной системой крепления их к узлам лонжеронов. Завод изготовил требуемые элементы усиления и специальный инструмент, а заводская бригада совместно с техсоставом 25-го полка провела необходимые доработки строевых Пе-8. Все эти проблемы привели к тому, что под конец войны Пе-8 в основном стояли на земле на доработках. В 25-м полку с ноября 1944 года экипажи совершали на Пе-8 только тренировочные полеты с целью поддержания квалификации летного состава. В 890-м полку практически все машины не летали, за исключением "старушки" ТБ-7 №385 "Дублера". К маю 1945 года в "наземном" строю находилось 32 самолета Пе-8. 9 мая 1945 года Пе-8 из состава 890-го полка обеспечивал праздничный салют над Москвой.

С окончанием войны никаких изменений в судьбе Пе-8 не произошло. Машины продолжали стоять на земле, но их не торопились списывать и утилизировать. Учебно-летная работа в 45-й дивизии проводилась на восстановленных американских В-24 и В-17. Крест на судьбе Пе-8 поставили в сентябре 1945 года. Летом 1945 года машины базировались в Орше.

По случаю намечавшегося воздушного парада в честь победы над Германией из Орши на аэродром Быково перелетело 12 машин из состава 203-го Гвардейского полка (бывшего 25-го). Воздушная часть парада по метеорологическим условиям не состоялась, самолеты до сентября оставались в Быково, а затем начали перелетать на место постоянного базирования в Оршу. 12 сентября лидирующий Пе-8 №42811 (командир корабля Ищенко) должен был повести всю группу домой. У самолета долго не запускался один из двигателей М-82. Вскоре двигатель начал работать нормально, и машина пошла на взлет. Ищенко поднял свой Пе-8 на высоту 400 м и выполнил круг над аэродромом и после четвертого разворота, проходя над летным полем, "прижал" машину к полосе и затем сделал прощальную "горку". "Горка" и впрямь оказалась прощальной. При наборе высоты у самолета сложилась правая полуплоскость, и машина рухнула на землю, похоронив под своими обломками 14 человек. Машина была доработанная по лонжеронам, и все равно произошла трагедия.

Опять все Пе-8 45-й дивизии начали исследовать, и оказалось, что большинству из них грозит судьба Пе-8 №42811. К началу 1946 года из числившихся за 45-й дивизией 30 Пе-8 19 не могли быть допущены к полетам.

Военная карьера Пе-8 закончилась, вскоре их в полках начали сменять Ту-4. А большую часть "старичков" Пе-8 списали и утилизировали. После войны несколько сохранившихся машин использовались в Полярной авиации и как летающие лаборатории для отработки новых двигателей и перспективных авиационных и ракетных систем.