Помимо работ по развитию основной линии развития Пе-8, ОКБ занималось переоборудованием серийных машин под летающие лаборатории, а также переоборудованием снятых с вооружения машин в транспортные машины для Полярной авиации. Работы по первому направлению начались с переоборудования американского самолета В-24 в летающую лабораторию для испытаний двигателей жидкостного охлаждения. Работа велась по заказу ЦИАМ. Работа была совместной с инженерами ЦИАМ, на долю ОКБ выпала увязка и разработка наиболее сложных и ответственных узлов, а выпуск детальных чертежей взял на себя ЦИАМ. Еще когда шла работа с ЦИАМ, к Незвалю обратился с аналогичным заданием начальник ГК НИИ ВВС генерал П.А. Люсиков. ГК НИИ ВВС нужно было переоборудовать серийный Пе-8 с двигателями жидкостного охлаждения в летающую лабораторию для испытаний двигателей воздушного охлаждения типа АШ-82ФН. Переоборудованию в летающую лабораторию подвергли Пе-8 4АМ-35А №4218.

Испытуемый двигатель устанавливался в носовой части фюзеляжа вместо кабины штурмана. ОКБ для этой работы командировало инженеров в ГК НИИ ВВС, по полученному увязочному чертежу проделало всю подготовительную работу, имея на руках все чертежи самолета, так что ГК НИИ ВВС пришлось выполнять главным образом чертежные работы, а затем и само переоборудование самолета. Еще одна машина, принадлежавшая ГК НИИ ВВС, Пе-8 4М-82 №42412 была позже передана в ЛИИ, где ее переделали в носитель опытного ракетного самолета "5" конструкции М.Р. Бисновата. Полеты по программе испытаний самолет-носитель с изделием "5" выполнял в период с 1948 по 1949 год. Один из самолетов Пе-8 4М-82 в начале 1945 года был переоборудован в самолет-носитель для испытаний челомеевских самолетов-снарядов серии "X" (10Х, 14Х, 16Х), проектировавшихся на базе немецких ФАУ-1. В марте 1945 года в Средней Азии начались испытательные работы со сбрасыванием и пусками самолетов-снарядов с Пе-8.

Наиболее долго после войны служили переоборудованные Пе-8 в Полярной авиации. Все началось еще в 1945 году, когда в ОКБ приехал известный полярный летчик И.И. Черевичный. Он обратился к Незвалю с предложением переоборудовать два самолета Пе-8 для нужд Полярной авиации. Для этой цели командование Дальней авиации (тогда это уже была 18-я Воздушная Армия) выделило им два самолета, которые завод №22 по дополнительным техническим требованиям должен был переоборудовать.

Совместно с Черевичным ОКБ детально проработало требования для эксплуатации машин в полярных условиях. С машин сняли все вооружение, заделали все образовавшиеся ниши, ввели в состав оборудования все, что необходимо было для полетов в высоких широтах. Одна машина, получившая бортовой регистрационный номер СССР - Н 395, предназначалась для самого Черевичного, вторая - СССР- Н 419 для полярного летчика В.И. Задкова.

Самолет Черевичного начал эксплуатироваться в Полярной авиации в 1947 году. 7 июля того же года он был разбит при взлете в районе мыса Касистый. Причина аварии была в ошибке при эксплуатации - механик перекрыл по ошибке все четыре крана топливоподачи к двигателям, в результате все двигатели самолета остановились. В 1979 году все, что осталось от этой машины, на транспортном самолете было привезено в музей ВВС в Монино.

Вторая машина Н 419 участвовала в экспедициях "Север-2" и "Север-4", предпринятых в военных целях. В послевоенный период ВВС активно осваивали ледяные просторы Арктики с целью организации там аэродромов подскока для самолетов Дальней авиации для ударов по Северо-Американскому континенту. С весны 1950 года в Полярной авиации началась эксплуатация еще двух переоборудованных Пе-8 Н396 с двигателями АШ-82ФН и Н556 с двигателями АШ-73 со снятыми ТК. Н396 участвовал в научной экспедиции "Северный полюс - 2", Н556 прославился тем, что в 1952 году на нем был доставлен вертолет Ми-1 в район полярной зимовки.

Последние полеты Пе-8 в Полярной авиации совершали в 1954 году. Вскоре их списали, а сменили их у полярников ледовые разведчики, переоборудованные из серийных Ту-4, которые к этому времени постепенно начали выводить из состава ВВС, заменяя их на реактивные Ту-16.

Таким образом, Пе-8 с момента первого полета опытного самолета АНТ-42 прослужил Родине в различных ипостасях почти 20 лет, четыре из которых выпали на самые тяжелые годы в истории страны - на Великую Отечественную войну.