У части пилотов и командиров вызывала сомнения безопасность сброса бомб наружной подвески с крутого пикирования. Авиабомбы внешних подкрыльевых держателей, обгоняя самолёт, казалось, неминуемо должны были попадать в винты. НИИ ВВС пришлось провести специальные испытания и даже отснять кинофильм, в котором в замедленном виде демонстрировали процесс отделения авиабомб от пикирующего самолёта. Как оказалось, даже при пикировании с углами порядка 70° бомбы тут же удалялись от самолёта, проходя под винтами на солидном расстоянии.

Обычная бомбовая нагрузка «пешки» на фронте составляла 600-700 кг, а наиболее массовыми были фугасные ФАБ-100 и ФАБ-50, составлявшие в 1941-1942 гг. до 75% всех сброшенных авиабомб. Для поражения большей части целей на поле боя их поражающее действие оказалось вполне достаточным. ФАБ-250, применявшиеся для уничтожения крупных строений, складов и мостов, использовали куда реже, а тяжёлые ФАБ-500 находили применение и вовсе в единичных случаях. Например, за время пребывания 410-го бап на фронте были сброшены 1926 авиабомб общей массой около 130 т, из них 908 ФАБ-100, 763 ФАБ-50, 140 АО-10 и 112 ЗАБ-1Э (последние два типа применяли из БАС-1).

Вплоть до окончания войны Пе-2 чаще всего сбрасывали фугасные «сотки», оказавшиеся самыми распространёнными авиабомбами советских ВВС. Не в последнюю очередь это обусловили размеры бомбоотсеков не позволявших размещать более крупные боеприпасы. Нормальная бомбовая нагрузка «пешки», «Илов», Су-2 и пр. советских самолётов достигалась как раз при внутренней подвеске «соток». Заметим, что нередко лучший эффект при ударе (например, по бронетехнике) достигался в случае применения самолётом авиабомб ФАБ-50м2, м5 или м9, изготовленными из забракованных артснарядов. Их толстостенные корпуса обладали отменным осколочным действием (при сбрасывании с высот 500-1000 м приведённая площадь поражения лёгких танков шестью бомбами ФАБ-100 составляла 180 кв. м, а десятью ФАБ-50м9 - 400 кв. м). Однако, даже полное использование всех бомбодержателей, включая наружные, позволяло применить в одном вылете только 500 кг авиабомб, что негативно сказывалось на... отчётности. Кроме того, наружная подвеска ухудшала скоростные и маневренные качества «пешек», что отнюдь не приветствовалось экипажами.

Фугасная ФАБ-250св перед подвеской на бомбардировщик Пе-2

В конце лета 1941 г. предпринимали попытки оснастить Пе-2 реактивным вооружением. На самолёте (заводской №16/32) под крылом смонтировали 10 пусковых направляющих РО-132 (две ракетно-орудийные батареи 5РОБ-132 со сблокированными по пять орудий). В сентябре эта машина прошла полигонные испытания на НИПАВ, где ракетная установка получила положительную оценку и была рекомендована к серийному производству. Однако широкого применения в ВВС КА она не нашла - в начале 1942 г. «пешки» запретили привлекать к нанесению штурмовых ударов с использованием ракетного оружия, поскольку живучесть бомбардировщиков для действий на малых высотах посчитали недостаточной.

Больше внимания к этому варианту вооружения проявило командование ВВС Флота. Специально для морских авиаторов в НИИ-3 НКБ «генерала А.Г. Костикова» разрабатывали 132-мм ракетно-бронебойные снаряды. Поскольку с августа 1941 г. функции гензаказчика на ракетное оружие в Красной Армии получили гвардейские миномётные части (а там бронебойными снарядами из «катюш» не стреляли), эти боеприпасы для авиации изготавливать прекратили. Но разработанные для бомбардировочной авиации ещё в 1939 г. ракетно-осколочно-фугасные снаряды РОФС-132 (в 1941 г. в «пехоте» их назвали снарядами М-13) вполне заменили РБС-132. Баллистика их была сопоставима, в бронепробиваемости они незначительно уступали бронебойным, а по фугасности превосходили втрое. В ходе войны самолёты Пе-2 с такими PC неоднократно успешно атаковали морские цели. Оно и немудрено - кораблей с серьёзным палубным бронированием у немцев оказалось мало, а штурмовка транспортов и сторожевиков была успешна и на истребителях И-153 с ракетными снарядами РС-82. Чего уж тут говорить о Пе-2 со 132-мм РОФС.

В стычках с истребителями со всей остротой выявилась недостаточная эффективность бронирования Пе-2. Атакуя сзади, немцы старались сначала вывести из строя штурмана и стрелка, а в следующем заходе добивали беззащитный бомбардировщик. Принимавшие на себя удар истребителей, члены экипажа составляли львиную долю в списке потерь. Нередки были случаи, когда на дотянувших домой избитых «пешках» в живых оставался только пилот. Отреагировав на непрерывный поток требований, завод №22 уже в сентябре 1941 г. разработал усиленную схему бронирования: лётчик получил дополнительно бронесиденье толщиной 4,5 мм, позади штурмана взамен двух листов установили цементованную бронеплиту размером 530x1050 мм и толщиной 8,5 мм. Стрелка прикрыли такой же наклонной плитой размером 480x680 мм с нижней секцией, защищавшей от огня сзади-снизу и боковыми 6-мм бронелистами. Дюралевую броню на крышке люка заменили стальной. Общая масса бронезащиты Пе-2, выдерживавшей пули калибра 7-8 мм, составила 144 кг. В августе 1942 г. разработали и испытали на самолёте №10/119 лёгкий бронеэкран толщиной всего 1,5 мм, смонтированный позади бронеспинки пилота. Экран улавливал рикошетирующие от бронеспинки пули и осколки брони, поражавшие штурмана.

Совершенствование оборонительного вооружения сопровождалось куда большими трудностями. В боях быстро выявлялся любой просчёт конструкторов или производственный дефект. Здесь цена ошибки была слишком дорогой. Неудачное размещение патронного ящика люковой установки, отмеченное ещё весной, стало причиной многих трагических происшествий. Лента от ящика шла с несколькими перегибами, то и дело её клинило на входе в пулемёт (причина - недостаточно выровненная лента и несмазанные рукава подачи) иногда после первого же выстрела.