121-й полк провоевал на Пе-3 побольше: на флот он попал в августе 1942 г., а сдал свою технику тому же 95-му иап в середине 1943 г. Интересно, что одна из машин 121-го полка 11 сентября 1942 г. совершила вынужденную посадку в северной части Финляндии. Штурман погиб, а летчик - старшина Самарин через несколько недель вернулся в полк. Финны восстановили машину и в августе 1943 г. ее получила эскадрилья LeLv 48. Самолет использовался как разведчик, заслужив высокую оценку финских экипажей (сравнивавших его с немецким Do 17Z, английским "Бленхеймом" и трофейным советским ДБ-3). 2 июля 1944 г. этот Пе-3 был уничтожен на аэродроме Лаппе-енранта бомбами пикировщиков Пе-2. В сентябре 1943 г. уже не было возможности сохранять значительное количество авиачастей на двухмоторных истребителях - производство Пе-Збис (вместе с Пе-2) прекратили в Иркутске в начале 1943 г. после выпуска 134 машины. Предприятие полностью загрузили сборкой бомбардировщиков Ил-4. Таким образом, 95-й иап остался единственной боевой частью на Пе-3 и Пе-Збис. В феврале 1943 г. полк передали в оперативное подчинение 5-й минно-торпедной дивизии. Теперь основной задачей экипажей стало сопровождение и обеспечение атак торпедоносцев. Роль Пе-3 при этом была двоякой. В случае прикрытия судов конвоя вражеской авиацией истребители должны были связать противника боем, не допуская нападения на торпедоносцы. Если же немецких самолетов не было или их было мало, часть Пе-Збис возглавляла атаку, подавляя зенитные средства кораблей пушечно-пулеметным огнем. Несколько позднее дооборудованные Пе-Збис кроме этого начали ставить перед торпедоносцами дымовые завесы, скрывая их от зенитчиков. Поначалу действия истребителей не всегда были удачными. 10 апреля эскорт оторвался от торпедоносцев и проморгал прорыв к ним двух пар Bf 110. Немцы сбили один Ил-4 и один "Хэмпден" 24-го мтап. Примером удачного взаимодействия Пе-3 и торпедоносцев стал бой 25 апреля. Семь самолетов 95-го иап во главе с комэском Хайдаровым сопровождали пять "Хэмпденов" 24-го мтап. Конвой состоял из 17 транспортов и корабля охранения, его прикрывали поплавковый Не 115 и три Bf 110. Наши летчики сбили "хейн-кель" и оттеснили истребители противника; по советским данным два "мессершмитта" повредили. "Хэмпде-ны" удачно атаковали. Были потоплены два транспорта (немцы признают потопление одного - "Леезее") и сторожевик. Советская сторона потеряла два Пе-3 и "Хэмпден". Летчики впоследствии неоднократно отмечали, что вести с более легкими Bf 110 маневренный бой очень сложно. Тем не менее лучшего ничего не имелось, англичане и американцы двухмоторных истребителей не поставляли и Пе-3, и Пе-Збис (к этому времени их все обычно называли Пе-3) надолго задержались в строю ВВС Северного флота, хотя их количество постоянно уменьшалось. Небольшое количество Пе-3 попало летом 1942 г. на Черноморский флот. Ими обладала 27-я раэ наряду с Пе-2 и американскими А-20. Самолеты использовались как дальние разведчики и для прикрытия кораблей в открытом море. Бороться с одномоторными истребителями немцев Пе-3 было безусловно трудно, 23 сентября 1942 г. два Пе-3 дрались над идущими в Крым транспортами с четырьмя Bf 109. Один Пе-3 с раненым летчиком сел на кавказском побережье, второй упал в море; его экипаж спасли. Один "мессершмитт" тоже сбили. К началу 1943 г. Пе-3 у черноморцев уже не осталось.
Нельзя сказать, чтобы конструкторы не работали над созданием новых истребительных модификаций базового Пе-2. Во второй половине 1942 г. занимавший в то время пост главного конструктора бывшего петляковского КБ А.И.Путилов (сам Петляков погиб в авиакатастрофе в январе 1942 г.) внес предложение вновь переработать Пе-2 в высотный истребитель. Но машина, обозначенная Пе-2ВИ, существенно отличалась от старого ВИ-100. Во-первых, самолет должен был стать одноместным. Во-вторых, Путилов отказался от турбонаддува, сделав ставку на моторы М-105ПД с нагнетателями Доллежаля. Гермокабина сохранялась. Вооружение планировали сократить до одной пушки ШВАК (с запасом в 250 снарядов) в носу фюзеляжа и одного пулемета УБК (с 250 патронами) в дистанционно управляемой установке в хвостовом коке.
В декабре 1942 г. идеи Путилова были официально одобрены наркоматом. В феврале 1943 г. Пе-2ВИ должен был взлететь. От серийного бомбардировщика сохранялись средняя и хвостовая части фюзеляжа и центроплан. Консоли крыла конструировались новые, деревянные и увеличенной площади. Аэродинамический профиль сменили на NACA 230, дававший большую подъемную силу на малых скоростях. Носовая часть фюзеляжа (секция Ф-1) тоже разрабатывалась заново. В январе 1943 ^проектирование закончили и передали чертежи в цеха. Собирались построить три опытных самолета. На первом, без гермокабины, хотели отладить работу мотоустановки. 1 февраля макетной комиссии предъявили макет гермокабины, винтомоторную группу с М-105ПД, установленную на переделанном серийном Пе-2 и пулеметную установку ДЭУ-1 на стенде. По рекомендациям комиссии усилили броне-защиту спереди.
Пе-Збис с радиолокатором "Гнейс"