10 февраля совершил свой первый полет бомбардировщик с парой М-105ПД. Нагнетатели работали неустойчиво. Второй Пе-2ВИ строили сначала под два М-105ПФ (из-за нехватки М-105ПД), но затем его переоборудовали под высотные двигатели. Деревянные консоли заказывали на стороне и это также задерживало готовность самолета. Первый полет Пе-2ВИ состоялся лишь 30 апреля 1943 г., причем машина летала с крылом от серийного Пе-2. В кабине было жарко и душно, запотевали стекла, ухудшая обзор. 9 мая, во втором полете, один из моторов отказал, но истребитель совершил благополучную посадку.
Еще один серийный Пе-2 использовался для доводки дистанционно управляемой установки ДЭУ-1. Испытания показали, что надежность ее весьма невысока, а недостаточная точность резко снижает боевую эффективность.
Учитывая недостатки мотоустановки с М-105ПД, Путилов хотел построить второй экземпляр ВИ с двигателями М-82НВ с турбонагнетателями ТК-3. Эти моторы уже испытыва-лись на серийном Пе-2. Но, увлекшись перспективными проектами, Путилов подзапустил основную по мнению НКАП работу - совершенствование серийных бомбардировщиков завода №22. За это он и поплатился. Место главного конструктора занял В.М.Мясищев. К идее высотной "пешки" он относился неодобрительно, резонно учитывая и практическое отсутствие на фронте высотных бомбардировщиков противника,и низкие характеристики, и слабое вооружение Пе-2ВИ. Доводку путиловского истребителя передали ЛИИ, тот затем спихнул ее заводу №26 (авиамоторному), где в конце 1943 г. эту тему вообще закрыли.
Еще при Путилове, в мае 1943 г. завод №22 обязали возобновить постройку Пе-3. Фактически требовался аналог Пе-Збис, но с моторами М-105ПФ. Вооружение должно было состоять из одного УБК в носу фюзеляжа (со 150 патронами) и двух ШВАК под бомбоотсеком (с боезапасом по 160 снарядов) и ШКАСа в хвостовом коке. Но уже к концу лета задание отменили, введя взамен в план завода бомбардировщики с моторами М-82.
Работа над истребителями на заводе №22 возобновилась осенью 1943 г. В ноябре макетная комиссия осмотрела полноразмерный макет истребителя, опять наименованного Пе-3. Он имел два основных отличия - новую стрелковую установку штурмана ФЗ с измененным фонарем кабины и новый носок крыла,улучшивший взлетно-посадочные качества. Однако, НКАП запретил внедрение ФЗ в серию. В итоге в феврале 1944 г. в Казани выпустили головной Пе-3 нового образца. Но он очень мало походил на сделанный ранее макет. Крыло оставили старое, так же как сохранили турель ВУБ-1. Пушек под фюзеляжем должно было быть две, но реально поставили только одну (по неясным причинам). Планировали отказаться от ШКАСа - "пугача" в хвостовом коке и заменить его ДЭУ-1, но из-за недоведенности последней машину вооружили двумя гранатометами ДАГ-10. Бомбовое вооружение ограничивалось двумя замками МДЗ-40, на которых предусматривалась подвеска бомб калибром до 250 кг. Бронезащиты спереди не было.
За первый квартал 1944 г. собрали 19 таких самолетов. Ни их летные данные, ни вооружение и бронирование не удовлетворяли требованиям времени и ВВС принимать машины попросту отказались. Государственные испытания не проводились. В июле 1944 г. один Пе-3 завода №22 передали в НИИ ВВС для опробования вооружения. Заключение НИИ по самолету было крайне неблагожелательным. Но поскольку ничего другого не имелось, то Пе-3 все-таки отправили в строевые части - 48-й и 98-й гв.драп. На этом эволюция истребительной ветви потомков "сотки" закончилась.
В 1944 г. проводились расчеты по вариантам, оснащенным дополнительными ракетными двигателями. Простейший подход предполагал установку двух ЖРД РД-1ХЗ на серийном Пе-3.
Более сложный вариант предусматривал монтаж дополнительных двигателей на что-то, похожее на Пе-2ВИ, но с турбонагнетателями. Скорость должна была подняться до 785 км/ч, но за счет уменьшения запаса бензина, вытесненного топливом и окислителем. Дальность при этом падала до 1000 км. Эти проекты так и не были реализованы.
К концу лета 1944 г. на фронте оставалось не более трех десятков Пе-3 разных вариантов, все в различных разведывательных полках. Ни одна часть не была вооружена ими полностью. Вообще функции разведки стали основными для Пе-3 еще с весны 1942 г. В ПВО они уже давно не применялись. Единственным исключением можно считать эпизод с действиями отдельной эскадрильи под Сталинградом зимой 1942-43 гг. Ее самолеты, Пе-2 и Пе-3, оснащенные радиолокаторами "Гнейс-2", охотились по ночам за транспортниками, доставлявшими грузы окруженной армии Пау-люса. Наибольшее количество Пе-3 сохранилось в морской авиации. На Северном флоте продолжал действовать 95-й иап. Он воевал на "пешках" до самого конца боевых действий на этом театре. Например, 22 октября 1944 г. два Пе-3, которые вел капитан Антонец, перехватили и сбили Ju52/3m с немецкими генералами, летевшими в Петсамо.
Кроме 95-го иап, Пе-3 на севере обладали и воздушные разведчики флота. Они входили в 28-ю ораэ, влитую затем в 118-й орап. 27 декабря 1942 г. пилот М.К.Вербицкий и штурман П.И.Селезнев стали первым экипажем, сфотографировавшим Альтен-фьорд.
