С началом войны обнаружилось, что необходимость в тяжелом дальнем истребителе, ни одним типом которого ВВС РККА не располагали и в качестве которого собственно и проектировался изначально самолет «100», все же имеется. Впрочем, вернулся к идее создания истребителя ВИ М-105 В. Петляков еще весной 1941 года, но задуманный им высотный двухместный истребитель, вооруженный двумя пушками ШВАК, тремя БС (один из которых должен был быть оборонительным) и оборонительным ШКАС, реализован не был.
Вернуться к созданию истребителя теперь уже «в обратном порядке» на базе бомбардировщика Пе-2 тем не менее пришлось. Самолет был создан в течение четырех суток, поднявшись в воздух 7 августа 1941 года.
Для увеличения дальности полета в фюзеляже установили дополнительный 700-литровый бак на месте стрелка-радиста. Экипаж сократили до двух человек, убрали остекление кабины штурмана, наступательное вооружение состояло из двух 12,7-мм пулеметов БК, для защиты служили два 7,62-мм пулемета ШКАС, один из которых был установлен на турельной установке, второй неподвижно закреплен в хвостовом обтекателе. При этом сохранилась возможность нести «в перегруз» до 700 кг бомб на внешней подвеске, что, как показала практика, было дальновидным решением – впоследствии самолет, получивший обозначение Пе-3, применялся для нанесения ударов по наземным целям чаще, чем в качестве истребителя. Пе-3 развивал скорость 530 км/ч, имел дальность полета 2150 км и потолок 8500 м. До эвакуации авиазавода № 39 в ноябре 1941 года на его мощностях было выпущено 196 самолетов Пе-3.
В 1941 году инженерами завода № 22 был предложен собственный вариант истребителя Пе-2И (первый самолет с таким обозначенеим), несущего более мощное наступательное вооружение – два пулемета БК и две пушки ШВАК, расположенные на месте бомбоотсека. Серийно этот самолет не строился.
С поступлением Пе-3 в строевые части летчиками был предъявлен ряд претензий, в первую очередь касавшихся недостаточного бронирования, слабого вооружения. Весной 1942 года был начат выпуск усовершенствованного истребителя Пе-3бис.
Модернизированный самолет получил дополнительно к двум усовершенствованным пулеметам УБК стреляющую вперед 20-мм пушку ШВАК, оборонительный ШКАС на турели был заменен на 12,7-мм УБК во вращающейся башне. Дополнительно часть машин была оснащена пусковыми установками РО-82 и РО-132 для стрельбы по воздушным целям ракетно-осколочными снарядами РОС. При этом были сохранены и наружные бомбодержатели. Была добавлена отсутствовавшая ранее бронезащита спереди, общий вес брони при этом достиг 148 кг: кабину пилота прикрывали бронеплиты толщиной 4–6,5 мм и стальная 13-миллиметровая бронеспинка, кроме того, был бронирован нижний люк кабины. Было предусмотрено заполнение нейтральными газами (отработанными выхлопными газами) топливных баков, для повышения устойчивости на малых скоростях на консолях крыльев установили автоматические предкрылки, на стеклах кабины установили шторки, предотвращающие ослепление экипажа прожекторами. Винты и лобовое стекло были оборудованы противообледенительной системой. Силовая установка, состоящая из двух 1050-сильных моторов М-105РА, обеспечивала истребителю скорость в 438 км/ч у земли и 530 км/ч на высоте. Часть машин, использовавшихся в качестве ночных истребителей ПВО, была оснащена радиолокационной станцией «Гнейс-2».