Сдача машины послужила поводом для освобождения из заключения самого В. Петлякова и ряда сотрудников его бригады.
По сравнению с «соткой» в конструкцию самолета был внесен ряд изменений. Гермокабины были сняты, кабина пилота смещена вперед и получила остекление снизу, позволяющее осуществлять прицеливание при бомбометании. Сзади пилота находилось место штурмана, который также вел огонь из оборонительного пулемета ШКАС на шкворневой установке. Стрелок-радист отвечал за подфюзеляжную «кинжальную» установку, также оснащенную ШКАС. Двигатели М-105Р вместо турбокомпрессоров были оснащены приводными центробежными нагнетателями и винтами изменяемого шага.
Самолет был оборудован аэродинамическими тормозами-решетками и автоматом пикирования, обеспечивавшими пикирование под углом до 70°.
При полетном весе 7536 кг максимальная скорость самолета равнялась 540 км/ч на высоте 5000 м, дальность полета 1200 км.
Характерной особенностью Пе-2 стало широкое применение электроприводов: работу систем самолета обеспечивало около 50 электромоторов, которые управляли створками радиаторов, шагом винтов, насосами, клапанами, тормозными щитками, закрылками, уборкой и выпуском шасси и т. д.
Серьезным недостатком Пе-2 являлась малая бомбовая нагрузка. Благодаря изначальной «истребительной» конструкции самолет имел большой запас прочности, что, с одной стороны, было преимуществом для пикирующего бомбардировщика, но вместе с тем было причиной чрезмерного собственного веса. В итоге при сравнительно небольшой мощности моторов М-105 бомбовая нагрузка, размещаемая на внутренней подвеске – в бомбоотсеке в центральной части фюзеляжа и небольших отсеках в мотогондолах, где помещалась бомба ФАБ-100, – не превышала 600 кг, а максимальным калибром бомбы, которую мог поднять Пе-2, являлась ФАБ-250. С использованием наружной подвески максимальная бомбовая нагрузка могла доходить до 1000 кг. При этом бомбометание с пикирования можно было осуществлять только с внешней подвески, так как бомбоотсеки не были оборудованы устройствами для отведения бомбы от фюзеляжа, что при применении данного способа дополнительно ограничивало массу поднимаемого бомбового груза.
Благодаря «истребительному» происхождению в варианте бомбардировщика самолет сохранил высокую маневренность вплоть до способности выполнять фигуры высшего пилотажа, что в сочетании с высокой скоростью давало летчикам возможность не только уходить от преследования, но достаточно успешно вести воздушный бой. В то же время летчики отмечали, что самолет более сложен в управлении, чем стоящие на вооружении СБ и ДБ-3. Особенно непростыми элементами были взлет и посадка, что при недостаточном уровне подготовки летного состава достаточно часто служило причиной летных происшествий.