В конце апреля 1942 г. экипажи 95-го ИАП смогли снова почувствовать себя истребителями. Тройка Пе-3, возглавляемая командиром полка майором Жать-ковым, встретила конвой PQ-15 на большом удалении от аэродромов Заполярья. Этим она, по-видимому, сильно удивила пилотов немецких торпедоносцев и бомбардировщиков, привыкших к отсутствию противодействия в воздухе. Как бы то ни было, но атаковать конвой, следовавший под истребительным прикрытием, немецкая авиация не стала.

В начале июля 1942 г. к операционной зоне советского Северного флота приближался печально известный караван PQ-17, оставшийся в результате решения британского адмиралтейства без прикрытия. Только с 4 по 10 июля конвой 130 раз атаковали Ju 88, 43 - Не 111 и 26 торпедоносцев Не 115. Самолеты 95-го ИАП приступили к прикрытию уцелевших судов, действуя на предельном радиусе. На самом берегу Кольского полуострова удалось найти полевую площадку, ВПП которой сделали из лиственничных плашек. Это позволило еще немного выдвинуть на северо-запад зону авиационного прикрытия. Четверки Пе-3 попеременно вылетали на барражирование, делая 2-3 полета в сутки - каждый продолжительностью по 4-5 часов.

13 июля ведущий четверки капитан К.Володин заметил группу вражеских самолетов, направлявшихся к прикрываемым кораблям. Разделившись, пары Володина и лейтенанта А.Сучкова атаковали немецкие бомбардировщики. Реактивными снарядами и пушечно-пулеметным огнем они сбили семь «Юнкерсов». Ответной очередью был тяжело ранен Сучков, и управление машиной взял на себя штурман. Через полтора часа полета над морем он привел поврежденный самолет на аэродром и смог его удачно посадить.

19 сентября 1942 г. четверка Пе-3, возглавляемая командиром полка, отразила налет 24 бомбардировщиков Ju 88, попытавшихся атаковать суда конвоя PQ-18 на рейде Молотовска. Два немецких самолета были сбиты, несколько повреждено.

Еще одной функцией Пе-3 95-го ИАП стало сопровождение своих торпедоносцев и бомбардировщиков при нанесении ударов по конвоям противника. Так, 25 апреля 1943 г. пятерка торпедоносцев Ил-4 под прикрытием трех пар Пе-3 атаковала конвой в Конгс-фиорде. Над ордером барражировали 4 Bf 110 и поплавковый самолет Не 115. Пе-3 представилась возможность помериться силами с близкими по типу немецкими истребителями, которых часто путали в воздухе с Пе-3 из-за похожего силуэта и двухкилевого оперения. Но боя не получилось. «Воздушный зонтик» над конвоем рассыпался после первой атаки «пешек». «Мессершмитты» ушли в облака, а менее маневренный Не 115 рухнул в воду. Через минуту торпедоносцы вышли в атаку. Два транспорта, тральщик и сторожевой корабль противника пошли ко дну.

Летом 1942 г. в состав ОМАГ включили 13-й авиаполк на Пе-3бис. Ввод в строй летчиков из полка майора В.П.Богомолова осуществлялся с помощью опытных командиров эскадрилий из 95-го ИАП, и вскоре недавно прибывшая часть стала привлекаться для прикрытия морских конвоев. Авиаторы вполне успешно справлялись с поставленной задачей - на счету командира полка и лейтенанта А.И.Устименко появились сбитые Ju 88. 18 сентября на долю экипажей 13-го СБАП выпала встреча с весьма редкими на советско-германском фронте самолетами FW 200. Четверка Богомолова, прикрывая конвой PQ-18, отбила очередную атаку «Юнкерсов», когда летчики заметили группу «Кондоров», заходившую на корабли с противоположной стороны. Помешать противнику сбросить торпеды богомоловцы не успели, но все же экипажу лейтенанта К.Усенко удалось догнать один «Фокке-Вульф» на выходе из атаки и поджечь ему правый крайний мотор. Однако добить врага не удалось - поступила команда срочно вернуться в зону барражирования.

С приближением полярной зимы резко ухудшилась погода, что в условиях все более сокращавшегося дня делало полеты крайне рискованными. Природа нанесла 13-му полку значительно больший урон, чем немцы. Так, в одном из вылетов группа Пе-3 попала в районе аэродрома посадки в мощный снежный заряд. Не имевшие достаточного опыта ориентирования над лесотундрой экипажи оказались перед незавидным выбором: либо прыгать с парашютами, либо сажать самолеты «на брюхо». В подобных инцидентах и при ночных посадках на не приспособленные для этого полосы полк потерял большинство своих машин, а оставшиеся передал в 95-й ИАП и навсегда простился с Пе-3.

Относительно недолго воевал на Пе-3 в составе ВВС Северного флота 121-й авиаполк. В середине 1943 г. эта часть также передала свои самолеты в 95-й ИАП, который летал на Пе-3 до последних дней войны.

Значительную часть разведывательных заданий над Заполярьем выполняли оборудованные фотоаппаратами Пе-3 из 118-го разведывательного авиаполка (РАП) ВВС Северного флота. Только один экипаж капитана Р.Суворова, получившего в мае 1944 г. Золотую звезду Героя Советского Союза, выполнил за годы войны более 300 разведывательных полетов, обнаружил в море и в базах свыше 800 кораблей и судов противника. Попутно ему удалось уничтожить 3 железнодорожных эшелона, 13 танков, 75 автомашин и сбить 4 самолета.

Исходя из вышеизложенного, можно утверждать, что в варианте разведчика и дальнего истребителя на морских операционных направлениях Пе-3 оказались вполне соответствующими требованиям времени вплоть до 1944 г. В составе ВВС Северного флота они оставались на вооружении вплоть до начала 50-х годов. Их сменили реактивные бомбардировщики Ил-28.