Про программу тяжелого барражирующего истребителя с мощным вооружением и большим радиусом действия руководство советских ВВС вспомнило лишь после начала массированных налетов фашистских бомбардировщиков на Москву. К тому времени из пятерки наиболее вероятных на эту роль претендентов из числа имеющихся в распоряжении испытателей истребителей (МПИ-1, Та-3/ОКО-6, И-29, ДИС и ТИС(А)) в серийное производство не был поставлен ни один из них. А в частях ПВО, да и не только в них, хронически не хватало тяжелых истребителей. Вот тут-то и пришла мысль переделать бомбардировщик Пе-2, созданного на базе ВИ-100, обратно в истребитель.
Приказом ГКО от 2-го августа 1941 года КБ Петлякова предписывалось до 6 августа представить на испытания истребительный вариант самолета Пе-2. Советские ВВС рассчитывали получить самолёт с максимальной скоростью порядка 550 км/ч, дальностью полёта 2000 км и мощным пушечно-пулеметным вооружением. Для того, чтобы достичь заданных требований со стандартного самолета Второй мировой войны Пе-2 демонтировали кресло заднего стрелка – вместо него смонтировали дополнительные бензобаки на 700 литров топлива, и еще один аналогичный бак разместили в бомбоотсеке. Убрали тормозные решетки, посчитав их не нужными для тяжелого истребителя. Вооружение усилили установкой дополнительного пулемета БК в носовой части самолёта, и одного пулемета ШКАС в хвостовом коке. Бомбовая нагрузка составляла 700 кг. Вместо рации РСБ-бис установили РСР-4, и при этом, с целью большего облегчения самолета, с него демонтировали радиополукомпас.
На испытания самолет Второй мировой войны Пе-3 поступил 7 августа 1941 года. В целом, за исключением максимальной скорости и некоторых маневренных характеристик, тяжелый истребитель Пе-3 удовлетворил заказчика и уже 14 августа было принято решение начать серийное производство Пе-3 на заводе № 39. В процессе изготовления самолета Пе-3 планировалось усилить вооружение установкой пушек ШВАК и пулеметов БК/БТ вместо ШКАСов, сменить рацию, усилить броню и внести ряд других изменений. Все доработки проводились в несколько этапов на протяжении всего серийного производства самолета Пе-3. Практически одновременно завод № 22 представил свой альтернативный вариант тяжелого истребителя Второй мировой войны – Пе-2И. В нем отличия от обычного Пе-2 были вообще сведены к минимуму. Также, как и на самолете Пе-3, с него убрали кресло стрелка (с целью установки на его место 270-литрового топливного бака), но форму фюзеляжа не изменили. Под фюзеляжем установили пушку ШВАК в обтекателе и смонтировали два подвесных топливных бака. При сравнении обоих самолётов оказалось, что Пе-2И обладает большей дальностью полёта и некоторым преимуществом в скорости, однако эти показатели были достигнуты при помощи небольшой хитрости – на скоростных замерах Пе-2И летал в облегченном варианте без ПТБ, а в полетах на достижение максимальной дальности – с ними. В итоге серийно решили строить только тяжелый истребитель Второй мировой войны Пе-3.

До конца августа завод № 39 создал лишь 16 истребителей, но уже в сентябре – 98 самолетов, а в октябре ещё 86 машин. В ноябре 1941 года прошел испытания первый опытный образец улучшенного Пе-3бис. От серийных машин он отличался установкой более мощного вооружения (два пулемета УБК и пушка ШВАК в носовой части, и УБТ в подвижной башенной установке у штурмана), крыло оснастили предкрылками, уменьшили длину фонаря кабины пилота и сместили почти на полметра вперед противокапотажную раму. Также внедрили систему нейтрального газа и поставили противопрожекторные шторки на все стекла кабины. Предусматривалась установка РПК-10, но завод, из-за постоянных сбоев поставок оборудования так и не оснастил самолет Пе-3бис радиополукомпасом. Большинство усовершенствований внедрялось прямо в боевых частях – заменяли вооружение, устанавливали пусковые установки РО-82, в хвостовой части размещали держатели для гранатомета ДАГ-10.

С апреля 1942 года Пе-3бис начали производить серийно. Серийные самолеты не имели противокапотажной рамы, но оснащались башенной установкой ВУБ-1 (Б-270) с пулемётом УБК. Усилили бронирование кабины летчика и штурмана. Два носовых пулемета перенесли под фюзеляж и закрепили их в общем обтекателе. В таком виде тяжелый истребитель Пе-3бис выпускался до осени 1942 года, поскольку вскоре завод № 39 переключили на выпуск бомбардировщиков Второй мировой войны Ил-4.

Отказ от всех прототипов тяжёлых истребителей, проходивших испытания в 1940-1943 годах, и прекращение серийного выпуска самолётов Пе-3 привело примерно к той же ситуации, которая наблюдалась в 1941 году. Конечно, с ролью истребителей-сопровождения могли справляться и более лёгкие истребители Второй мировой войны Як-9ДД, появившиеся на фронте только в 1943 году, но как показал опыт западных союзников, у которых в течении всей войны прослужили такие знаменитые самолеты как Р-38 и Р-61, тяжелые многоместные истребители в некоторых случаях были просто незаменимы. Например, тяжёлый двухмоторный американский P-61 “Black Widow” (наряду с аналогичным ему по назначению немецким Не-219А) был признан лучшим ночным истребителем, а Р-38 “Lightning” добросовестно выполнял сверхдальние полёты по сопровождению тяжёлых бомбардировщиков В-17 и В-24. Тот факт, что в СССР не строили армады Пе-8 вовсе не говорил о том, что в этих самолетах советская авиация не нуждалась. В Советском Союзе не было огромного парка тяжёлых бомбардировщиков – зато таких самолетов как Ил-4 и Ер-2 выпускалась в избытке (правды ради надо заметить, что бомбардировщиков Ермолаева построили сравнительно немного – около пятиста) – для их сопровождения неплохо бы подошли бы и самолеты Второй мировой войны МиГ-5, и ТИС, и Та-3. Тем не менее, все подобные программы были закрыты, а произвести что-либо хорошее за очень небольшой отрезок времени было просто невозможно. Вот и решили опять вернуться к прежнему – к тяжелому истребителю Пе-3.

К тому времени обычная “пешка” претерпела ряд модернизаций, положительно отразившиеся на ее тактико-технических характеристиках. Новый тяжелый истребитель должен был вместить в себя все хорошее от бомбардировочного варианта – в том числе установку штурмана “ФЗ” и крыло с модифицированным профилем носка, улучшавшим поведение машины самолета в момент посадки. Однако, произведенный заводом № 22 в феврале 1944 года улучшенный самолет Пе-3, по мнению многих специалистов ВВС, достаточно сильно отличался от макета, представленного им в ноябре 1943 года. По решению НКАП тяжелому истребителю Второй мировой войны Пе-3 не требовалась установка ФЗ,также он не нуждался в новом крыле.

И еще завод не сумел отладить двухпушечную подфюзеляжную установку и дистанционную электрифицированную установку ДЭУ, так что в серии истребитель выпускался с одной подцентропланной пушкой ШВАК, одним носовым пулемётом УБТ и двумя кассетницами ДАГ-10 с авиагранатами АГ-2. По своим тактико-техническим характеристикам самолет Пе-3 образца 1944 года недалеко ушёл от первых истребительных “пешек” и даже больше того – некоторые характеристики самолёта снизились. Например, даже одномоторные истребители несли более мощное вооружение, к тому же ГУ ВВС желали получить истребитель со скоростью 625 км/ч временем набора высоты 5000 метров не более чем за 6 минут, а данные самолёта, представленного на заводские испытания были несколько далеки от предъявляемых требований. Выжать что-либо из Пе-3 уже не представлялось возможным, так как все пределы для модернизации модели 1941 года были исчерпаны и гораздо более перспективными тогда казались наработки Мясищева по самолёту Пе-2И (образца 1943-44 годов). По заверению заводчан некоторые недостатки истребителя подлежали исправлению, но представителей ВВС показатели Пе-3 образца 1944 года совершенно не устроили и на государственные испытания истребитель решили не передавать. Тем не менее, завод № 22 все же выпустил 19 истребителей, семнадцать из которых поступили на вооружение 48-го и 98-го гвардейских дальних разведывательных полков. Два самолёта оставили для испытаний. За время серийного производства с сентября 1941 по сентябрь 1944 года заводы № 22 и 39 собрали 360 истребителей Пе-3/Пе-3бис.

Несмотря на немногочисленность Пе-3, по сумме своих боевых качеств оказался не хуже специализированных истребителей Bf-110 и “Beaufighter”.Первым их освоил 95-ый СБАП, ранее летавший на СБ-2М-103 и Пе-2. За июнь-август 1941 года полк потерял почти все самолёты и был перевооружен на Пе-3. С 25 сентября он был переименован в 95-ый ИАП и, получив 40 тяжелых истребителей, полк был включен в состав 6-го ИАК, обеспечивающего ПВО Москвы. За первый месяц применения на Пе3 удалось добиться нескольких побед в воздушных боях, но как истребитель его использовали мало. Основной их задачей стало нанесение штурмовых ударов по наступающим немецким частям на московском направлении. С усилением группировки бомбардировщиков надобность в тяжелых истребителях постепенно отпала и 95 ИАП в марте 1942 года передислоцировали на Север. В составе авиации флота Пе-3 воевали весьма успешно. Первоначально 95 ИАП, поручили нанесение бомбовых ударов по кораблям и аэродромам противника. За апрель-май Пе-3 потопили три и повредили ещё несколько финских и немецких судов не понеся при этом потерь, но вскоре и немецкая авиация дала знать о себе.

В конце весны был организован налёт на авиабазу Хебугтен, где были сосредоточено крупные силы противника. Встретившая семерку Пе-3 группа Bf-109G (около 20 истребителей) была рассеяна ракетным огнём, но уже на обратном пути немцы полностью реабилитировались, уничтожив пять тяжелых истребителей. Гораздо удачнее самолеты Пе-3 действовали, обеспечивая прикрытие союзных и советских конвоев. Наибольший успех на их долю выпал 13 июля – в этот день четверка Пе-3 под командованием капитана К.Володина обнаружила большую группу Ju-88 и ракетно-пушечным огнем сбила семь самолётов без потерь со своей стороны. Несколько позднее, 19 сентября, четыре Пе-3 перехватили 24 немецких бомбардировщиков Второй мировой войны Ju-88, пытавшихся атаковать конвой PQ-18 и сбили два самолёта. 25 апреля 1943 года при сопровождении советских торпедоносцев Ил-4, нацеленных на атаку немецкого конвоя в Конгс-Фиорде, три пары самолетов Пе-3 расправились с барражирующим над портом Не-115 и рассеяли немецкие истребители прикрытия Bf-110, после чего торпедоносцы пустили ко дну четыре вражеских корабля.

Там же, с лета 1942 года воевали 13-ый и 121-ый СБАП, тоже частично имевшие тяжелые истребителт Пе-3. Функции у них были те же, что и у 95 ИАП, только воевали они на Пе-3 меньше. 13-ый БАП использовал истребители до середины 1943 года, понёся наибольшие потери во внебоевой обстановке, но сумев до этого момента уничтожить несколько немецких бомбардировщиков Второй мировой войны Ju-88. Примерно в это же время с Пе-3 расстался и 121-й полк, передав оставшиеся самолёты в 95-ый ИАП. 208-ой СБАП получил двадцать Пе-3 в сентябре 1941 года и воевал на них до декабря, принимая активное участие в обороне Москвы. Полк за три месяца боёв лишился всего 10 самолётов, после чего остальные 12 Пе-3 были переданы в 95 ИАП, а полк переучился на Ил-2. 40-ой СБАП, также потерявшего большую часть своих СБ в первые месяцы войны, в сентябре разделили на две части. Оба новообразованных полка (40-А СБАП, впоследствии – 511 ББАП, и 40 СБАП) летали и на Пе-2 и на Пе-3, причем как истребители Пе-3 там не применялись. С января 1943 года, из-за потерь, 40 СБАП постепенно переоснастили на самолеты Пе-2Р и А-20, переименовав в 40-ой ДРАП. 511-ый ББАП воевал на Пе-3 в составе Западного Фронта до июня 1942 года, применяя свои истребители в качестве ближних бомбардировщиков. Потеряв за три месяца боёв 13 из 20 самолётов полк переоснастили Пе-2Р и преобразовали в ОРАП.

9-ый ББАП, базировавшийся в июне 1941 года в Прибалтике, утратил все свои самолёты в первые же четыре дня войны и с сентября 1941 года также летал на самолетах Пе-3. До декабря его самолёты штурмовали немецкие войска, после чего 9-ый СБАП подчинили непосредственно Главному Штабу ВВС РККА и поручили выполнение особых задач. Пе-3 сопровождали самолёты руководителей ВВС и участвовали в лидировании авиачастей, направляемых на фронт. Одновременно приступили к перевооружению самолёта по типу Пе-3бис, поэтому в новый 1942 год полк вступил располагая самолётами с существенно усиленной огневой мощью. Насколько были хорошо подготовлены экипажи 9-го СБАП и как модернизация Пе-3 на его боевые возможности, можно судить по следующему эпизоду. 5 июля 1942 года Пе-3 капитана К.Данилкина, лидировавшего группу ЛаГГ-3, был перехвачен над своим аэродромом четырнадцатью немецкими истребителями Второй мировой войны Bf-109F. В завязавшейся схватке штурман К.Мантуров сбил (или тяжело повредил) два вражеских истребителя, третий был сбит огнём осовых пулеметов и пушки, а четвертого Данилкин таранил уже на горящей машине. Боевая работа 9-го СБАП продолжалась до мая 1942 года, после чего полк получил штурмовики Пе-2 и, впоследствии, летал только на них.
С октября 1941 года на Пе-3 летал 54-ый СБАП. Полк воевал под Москвой и добился хороших успехов в нанесении бомбовых ударов по аэродромам и наступающим немецким войскам. Боевая эффективность полка, правда, была существенно подорвана потерями, понесёнными в ожесточенных боях. До начала 1942 года полк лишился 11 истребителей, а в конце января, после мощного бомбового удара немцев по аэродрому базирования Пе-3, эта часть, потеряв ещё семь машин, практически перестала существовать. Уцелевшие самолёты в мае 1942 года передали в 511 ББАП.
Кроме вышеуказанных частей несколько Пе-3 были переданы в 1,2,3 и 4 ДРАП, 118-ый РАП Северного Флота и 603 СБАП, а также в некоторые разведывательные эскадрильи. Почти все Пе-3бис попали во 2,4 и 40-й АПР ГК и в 9-ый ББАП. Машины серии 1944 года, как это было указано ранее, передали в 48-ой и 98-ой ОРАП. Последний выделил в июне 1944 года один самолёт для перелёта в Италию, где советские военные специалисты наблюдали за действиями союзных войск. Истребители Пе-3бис продержались на вооружении вплоть до начала 1950-х годов, после чего их окончательно заменили на самолеты Ил-28. В отличии от своего прародителя – бомбардировщика Второй мировой войны Пе-2, самолётов Пе-3 попало в руки врагов совсем немного, и большинство из них – в небоеспособном состоянии. По крайней мере в немецких документах не указывается, что хотя бы один подобный самолёт был облётан или восстанавливался для дальнейшего использования. Только единичный Пе-3бис, после вынужденной посадки 11 сентября 1942 года, угодил к финнам. Северные соседи довольно быстро отремонтировали машину и включили Пе-3 (бортовой номер РЕ-211) в состав LeR-48, где он использовался совместно с трофейными Пе-2 как разведчик. Списали Пе-3 только 4 апреля 1946 года после 265 часов налёта.