Разработка осуществлялась в крайне сжатые сроки – уже в начале мая 1939 года был утвержден макет будущего истребителя, а 22 декабря опытный образец впервые поднялся в воздух.
Самолет представлял собой цельнометаллический двухмоторный моноплан с разнесенным оперением. Силовой установкой служили двигатели М-105 с турбокомпрессорами ТК-2.
Одной из главных особенностей новой машины было наличие двух разнесенных гермокабин для экипажа, состоящего из пилота, штурмана и стрелка, что обеспечивало возможность боевой работы экипажа при высоте полета свыше 12 тысяч метров. Самолет нес достаточно мощное для своего времени вооружение в составе двух 20-мм пушек ШВАК и двух пулеметов ШКАС, была предусмотрена также возможность установки оборонительного неподвижного пулемета в хвостовом коке. Кроме того, допускалась подвеска двух бомб калибра 250 или 500 кг.
Первые полеты выявили ряд допущенных в спешке конструктивных просчетов, в частности неудовлетворительную работу системы охлаждения масла и несоответствие конструкции шасси. Имелось и множество иных дефектов, потребовавших устранения и доводки. Еще более «несчастливым» оказался второй опытный экземпляр – в испытательном полете в результате возникшего пожара и задымления кабины летчик был вынужден практически вслепую совершить посадку на поле, где в это время работали школьники, что привело к гибели 19 человек. Экипаж отделался травмами, самолет был разрушен.
В период испытаний «сотка» развила скорость 538 км/ч на высоте 6600 м, на высоту 1000 м самолет поднимался за 6,8 мин.
1 мая 1940 года ВИ-100 принял участие в традиционном воздушном параде. По итогам государственных испытаний, несмотря на все недостатки, был сделан вывод, что «самолет “100” представляет собой наиболее удачное разрешение проблемы создания вооруженной машины с герметичной кабиной».. однако за этим следовало неожиданное для конструкторов заключение: «В целях использования высокой аэродинамики самолета “100” целесообразно создание на его базе пикирующего бомбардировщика без гермокабины. Необходимо построить опытную серию».
Логика руководства в целом была понятна – по итогам визитов советских делегаций в Германию можно было сделать вывод, что боеспособных высотных бомбардировщиков у Германии, как наиболее вероятного противника, не имеется, в то же время особый интерес – в том числе на основании анализа боевых действий войны в Европе – проявился именно к классу пикирующих бомбардировщиков, практически отсутствующим в авиации РККА.
На проектирование на базе истребителя самолета ПБ-100 было отпущено всего полтора месяца, но бригада Петлякова с задачей справилась, и уже в конце 1940 года был собран первый серийный самолет, получивший в серии наименование Пе-2, причем серийное производство было подготовлено еще до окончания государственных испытаний.