Во второй половине 1944 года проходил испытания и «дублер» Пе-2И, на котором был осуществлен ряд изменений, в том числе предусмотрена установка пушки УБ-20.
Пе-2И был построен в количестве пяти экземпляров, которые предполагалось передать на войсковые испытания, но из-за большого количества дефектов они не были приняты ВВС.
К 1 марта 1945 года был построен в соответствии с приказом НКАП от 5 февраля доработанный вариант – Пе-2М, в котором в состав экипажа ввели стрелка-радиста, а вооружение состояло из трех 20-мм пушек. Бомбовая нагрузка была доведена до 2000 кг, достигнутая во время испытаний скорость на высоте 5500 м равнялась 630 км/ч. К июню 1945 года заводом № 22 было построено четыре бомбардировщика, которые не были приняты ВВС. После окончания войны тема в значительной степени потеряла актуальность, а требования к самолету такого типа быстро росли, к тому же двигатель М-107, несмотря на запуск его в серийный выпуск, так и оставался проблемным. Серьезным недостатком машины оказалась и выбранная схема дистанционной оборонительной огневой точки, которая при отсутствии бортовых вычислителей (подобных устанавливаемым на американских бомбардировщиках) не обеспечивала точности прицеливания.
Пе-2И послужил также для создания еще нескольких проектов тяжелого истребителя, дневного и высотного бомбардировщиков.
Дальний истребитель сопровождения (ДИС) при экипаже в составе двух человек нес мощное наступательное вооружение – две 20-мм и две 45-мм пушки, еще одна пушка калибра 20 мм предусматривалась для защиты верхней задней полусферы. Скорость составляла 627 км/ч, дальность полета 3600 км. Однако испытания самолет проходил уже после окончания войны, когда развитие истребительной авиации уже связывалось в первую очередь с реактивными двигателями.
В середине 1944 года коллективом Мясищева была начата разработка скоростного дневного бомбардировщика с бомбовой нагрузкой до 2 тонн с двигателями М-108 (ВК-108), взлетной мощностью 1850 л.с. и номинальной 1500 л.с. Самолет ДБ-2 ВК-108, обозначавшийся также ДБ-108, был способен развивать скорость до 700 км/ч. Однако и эти двигатели оказались недостаточно надежными, а 5 апреля 1945 года самолет был потерян в катастрофе – заходящему из-за пожара двигателя на экстренную посадку самолету помешал серийный Пе-2, из-за халатности руководства в это же время совершавший плановый облет. Пытаясь уклониться, летчик зацепил жилой дом, в результате погибли инженер-испытатель и трое жителей, в том числе двое детей.
Уже в последние месяцы войны велась разработка высотного бомбардировщика с гермокабинами и перспективными моторами М-109, которая, однако, не была завершена.