Пушка ШВАК на подфюзеляжной установке Пе-3 завода № 22, 1944 г.

511-й ББАП был сформирован в середине сентября 1941 г. на основе разделившегося пополам 40-го СБАП. Командиром новой части назначили капитана А.Бабанова. Полк получил два десятка новеньких Пе-3, и 10 октября начал боевую деятельность в составе ВВС Западного фронта. В ходе битвы под Москвой полк базировался на аэродроме в Ногинске и привлекался, в основном, для нанесения БШУ, За три месяца его экипажи совершили более 320 боевых вылетов, уничтожив свыше 30 танков, 8 самолетов на аэродромах, 4 железнодорожных эшелона и до 30 орудий. Немцы недосчитались более 200 автомашин с имуществом, боеприпасами и личным составом. Полк нес и весьма значительные потери. 16 и 18 марта экипажи лейтенантов Г.Потапочкина и Л.Древятникова были сбиты после выполнения боевого задания в районе своего аэродрома немецким «охотником» - истребителем Bf 110C. К маю 1942 г. в полку осталось всего 7 самолетов, из них только 4 исправных. Впоследствии 511-й ББАП был перевооружен на самолеты Пе-2 «разведчик» и преобразован в отдельный разведывательный авиаполк (ОРАП).

В конце октября 1941 г. к боевым действиям на Западном фронте приступила еще одна авиачасть, вооруженная Пе-3 - 54-й Краснознаменный СБАП. Перед войной эта авиачасть базировалась в районе Вильнюса и 22 июня при внезапном ударе потеряла более половины своих СБ на земле. К 14 июля в ожесточенных воздушных боях были уничтожены почти все оставшиеся машины, после чего полк был выведен на переформирование, получил новую технику и прошел переподготовку на Пе-3.

В ходе московской оборонительной и наступательной операций полк под командованием майора Скибо совершил около 400 боевых вылетов, уничтожая противника в районах Клина, Солнечногорска, Истры и Волоколамска. По боевым донесениям, в этот период 54-й СБАП уничтожил 33 танка, до 780 автомашин, 35 вагонов, 2 склада с боеприпасами, в воздушных боях было сбито 6 самолетов. Собственные потери составили 11 «Петляковых». Один из наиболее примечательных боев произошел 18 января 1942 г., когда четверка Пе-3 атаковала аэродром Вельская. На стоянки немецких самолетов было сброшено 16 авиабомб калибра 100 кг. На отходе от цели группу атаковали Не 113 (по донесениям, но более вероятно - Bf 109F). Огнем штурманов один истребитель был сбит, а второй, не рассчитав маневра, врезался в хвост ведущего Пе-3 капитана Карабутова и потерял крыло. Карабутову удалось привести свою сильно поврежденную машину на аэродром в Туле. Экипаж не пострадал. К числу наибольших успехов «троек» под Москвой относится разгром крупной немецкой автоколонны неподалеку от Клина. Разбомбив на ее пути два моста, Пе-3 отрезали дорогу 500 машинам и в течение всего дня вели их штурмовку. Привлекались Пе-3 также для сопровождения ТБ-3 и Ли-2 при высадке крупного воздушного десанта под Вязьмой и его огневой поддержки.

В конце января 1942 г. аэродром базирования 54-го СБАП Жашково был вскрыт немецкой разведывательной авиацией и в ночь с 1 на 2 февраля атакован почти двадцатью Bf 110С. Утром налет был повторен, а вечером базу бомбили несколько Ju 88. В результате полк потерял 7 машин, из которых 3 сгорели, и остался почти без самолетов. Уцелевшие истребители в середине февраля передали в 511-й ББАП, а личный состав вывели в резерв. В мае 1942 г. экипажи были направлены в 9-й запасной авиаполк, где прошли переподготовку и в дальнейшем летали на Пе-2.

Самолеты 511-го ББАП и 54-го СБАП, в отличие от машин 9-го ББАП и 95-го ИАП, по-видимому, не дорабатывались и не перевооружались пушками. Об этом можно судить по типам израсходованных боеприпасов.

Сравнение стрелкового вооружения Пе-3 с аналогами
Масса секундного залпа, кг/с	Самолет	Масса секундного залпа, кг/с	Самолет
0,96	Пе-2 серии 35	1,38	Пе-3 сеерийный
2,65	Пе-3 доработанный	2,65	Пе-3 бис серийный
3,50	Пе-2И	1,96	Пе-3 1944 г.
2,56	Bf 110C-5