Почти параллельно с построенным по официальному заданию Пе-3 появился и другой истребительный вариант Пе-2. Завод №22 по собственной инициативе переделал одну машину в подобную модификацию Пе-2И. Он был похож и непохож на Пе-3. Экипаж Пе-2И также состоял из двух человек - пилота и штурмана. Боковые окна и верхний люк в кабине стрелка зашили, убрав внутри все оборудование. Внутрифюзеляжные бомбодержатели Дер-21 тоже сняли, а пару наружных замков приспособили под подкрыльные подвесные бензобаки. Два таких бака по 180 л можно бывало сбросить после выработки горючего. Еще один дополнительный бак-цилиндр на 240 л разместили в кабине стрелка. На 70 л увеличили емкость баков в центроплане. В итоге запас топлива возрос до 1810л (у серийного Пе-2 - 1500 л), а с подвесными баками - до 2170 л. Бомбоотсек у Пе-2И не пустовал. Под ним смонтировали две пушки ШВАК, а ящики с боезапасом (по 160 снарядов) разместили внутри. В пушечной установке использовали узлы крыльевых установок штурмовика Ил-2. Для удобства обслуживания вся установка опускалась вниз вместе с несущей рамой. Стандартное неподвижное вооружение Пе-2 - один ШКАС и один БК в носу, тоже сохранили. У штурмана стоял все тот же ШКАС на турели ТСС-1. Зато вместо неподвижного ШКАСа в хвостовом коке Пе-3 самолет завода №22 оснащался неподвижным же БК, смонтированным в обычном обтекателе турели ЛуПе-2 на месте старого БТ. Крупнокалиберный пулемет установили с небольшим (5 град.) наклоном вниз. Боезапас по сравнению с люковой установкой бомбардировщика уменьшили вдвое - до 100 патронов. Стрелял из нижнего пулемета штурман. Такое решение, конечно, ни в коем случае нельзя считать рациональным. Столь мощное оружие как БК,оказывалось в роли примитивного "пугача". Скорее всего, на заводе исходили из минимума переделок по сравнению с серийным бомбардировщиком. Бомбовая нагрузка Пе-2И составляла всего 200 кг. Две бомбы по 100 кг можно было подвешивать на замках ДЗ-40 в мотогондолах. Так же как на Пе-3, конструкторы завода №22 избавились от электробомбосбрасывателя, тормозных решеток, автомата пикирования,радиополукомпаса, ночного бомбового прицела НКПБ-4, заменили радиостанцию. Однако, за счет более мощного вооружения полетный вес Пе-2И получился больше, чем у Пе-3 (8230 кг против 7860 кг).
Пе-2И испытывался В НИИ ВВС с 27 августа по 7 сентября 1941 г. Летал на нем капитан Васякин. Выигрыш в максимальной скорости по сравнению с бомбардировщиком составил 32 км/ч. Дальность полета была на уровне Пе-3. По сравнению с машиной, представленной заводом №39, Пе-2И имел целый ряд преимуществ. Скорость на всех высотах при полете без подвесных баков была выше на 5-10 км/ч,лучше оказалась и скороподъемность. Вооружение Пе-2И также бесспорно было мощнее. В отчете НИИ ВВС в результате сделали вывод: "Выдержал государственные испытания и может быть рекомендован для серийного производства вместо Пе-3". Но Пе-2И в серию не запускали. Выпуск Пе-3 к этому времени уже разворачивался, преимущества были невелики, а основные недостатки у обоих истребительных модификаций определялись примерно так же. Самолеты сохраняли схему бронирования, принятую для бомбардировщика. Броня прикрывала экипаж сзади и немного сбоку. Брони спереди, столь важной для истребителя, ни Пе-3, ни Пе-2И не имели. Пилот и штурман при лобовой атаке оказывались прикрытыми лишь тоненьким слоем дюраля и оргстекла, то есть, практически ничем. Вызывала нарекания и маневренность машины. На горизонталях оба отечественных истребителя уступали не только более легкому немецкому Bf 110С, но даже старому бомбардировщику СБ, имевшему преимущество по радиусу и времени разворота.
В целом пришли к выводу, что истребители на базе Пе-2 могут бороться с вражескими бомбардировщиками и разведчиками , уничтожать автотранспорт и легкую бронетехнику, а также самолеты на аэродромах. С одномоторными истребителями сражаться они способны не были. Таким образом, основными способами применения двухмоторного истребителя становились функции барражирующего перехватчика, истребителя-бомбардировщика и дальнего истребителя сопровождения.
Пе-3, вылет на разведку, экипаж А.Е.Остаева, 208-й ОБАП, зима 1942 г.
Внедрению Пе-3 в серию придавалось большое значение. К 25 августа завод №39 уже должен был собрать пять первых истребителей (напоминаю, что первый облет опытного Пе-3 состоялся 7 августа). 29 августа на центральном аэродроме начались испытания головного серийного истребителя (№391902). Интересно, что максимальная скорость его оказалась выше, чем у опытного - 535 км/ч. При пробных стрельбах в воздухе выявилось, что остекление носовой части от сотрясений трескается. Поэтому прозрачный (из оргстекла) носовой кок заменили на дюралевый, а позднее на более прочный стальной. Во всем прочем остекление носовой части Пе-3 не отличалось от серийных бомбардировщиков.
Всего за август завод №39 собрал 16 истребителей, за сентябрь - 98. С конца августа 1941 г. Пе-3 начали перевооружать 95-й бап полковника С.Пестова. Это был тот самый 95-й бап, который в феврале того же года первым начал осваивать пикировщики Пе-2. Чуть позже такие же машины начали поступать в 9-й, 40-й и 208-й полки. Но только 95-й бап был укомплектован Пе-3 полностью. Для экипажей полка освоение новой материальной части не было проблемой, ведь отличия истребительного варианта от бомбардировочного являлись минимальными. Зато не совсем ясной являлась тактика боевого применения машины.