С 15 октября 208-й СБАП приступил к ведению боевых действий в составе 6-го ИАК Главной задачей части было прикрытие железнодорожных станций и мест погрузки -выгрузки войск в районе Москвы. Кроме того, он привлекался и к нанесению бомбо-штурмовых ударов. За три месяца боев полк совершил 683 боевых вылета, уничтожив (по докладам экипажей) 34 танка, 212 автомашин, 6 железнодорожных эшелонов и 33 самолета противника. Собственные безвозвратные потери составили 10 Пе-3, 12 летчиков и 9 штурманов. За участие в обороне Москвы полк получил благодарность от командующего Западным фронтом генерала армии Г.Жукова. В декабре 1941 г. в связи с острой нехваткой Пе-3 командир 6-го ИАК полковник Мительков приказал передать оставшиеся в 208-м СБАП 12 самолетов в 95-й ИАП, и в следующем месяце полк убыл с фронта для переучивания на Ил-2.
40-й СБАП так же воевал в первые месяцы войны на СБ, но для переучивания на новые самолеты с фронта не выводился. Пе-2 и Пе-3 в эту часть начали поступать в сентябре 1941 г. В том же месяце полк разделили на два, выделив из его состава 40-А СБАП – впоследствии 511-й ближнебомбардировочный авиаполк (ББАП).
С 22 по 24 сентября самолеты полка нанесли ряд ударов по железнодорожному узлу Старая Руса и вывели его из строя на неделю. Три полко-вылета 27 и 28 сентября на бомбардировку станции Рославль приостановили движение немецких эшелонов на 2-3 дня. В период битвы под Москвой полк, вооруженный преимущественно Пе-3, использовался исключительно как бомбардировочный Он выполнил 365 самолето-вылетов, в которых было сброшено 218 т бомб. В числе наиболее заметных успехов стоит отметить разрушенный мост через реку Угра в районе Юхнова (командир эскадрильи капитан А.Рогов получил за это звание Героя Советского Союза) и поврежденный мост через Волгу в районе Калинина, что затруднило маневр германских танковых соединений. 15 декабря 1941 г. часть преобразовали в 40-й АПР ГК, а позднее он получил более привычное наименование 40-й дальний разведывательный авиаполк (ДРАП).
Его экипажи вели стратегическую разведку на широком фронте: от предгорьев Кавказа до Калинина. Самолеты регулярно появлялись над крупнейшими аэродромами. Сеща, Олсуфь- ево, Брянск и Орел, отслеживали движение железнодорожных эшелонов в глубине оккупированной территории. В период подготовки операции на окружение 6-й немецкой армии в районе Сталинграда полк участвовал в сплошном фотографировании оборонительных позиций немецких, румынских и итальянских войск, в результате чего была получена единая фотокарта всего района. Личный состав выполнил ряд доработок на своих машинах. Так, на фюзеляжах «пешек» монтировали пару реактивных орудий РО-82 для стрельбы назад. Некоторые Пе-3 оснастили качающимися установками для АФА-1, а в мотогондолах на месте бомбоотсеков разместили дополнительные бензобаки. Ввиду естественной убыли, «тройки» постепенно заменялись Пе-2 «разведчик». По состоянию на 1 января 1943 г. полк располагал 11 Пе-3, что равнялось 38% от боевого состава Впоследствии эта часть была постепенно перевооружена на самолеты А-20В «Бостон».
9-й ББАП майора В.Лукина войну встретил на аэродроме Паневежис в Прибалтике. Всего за 4 дня на земле и в воздухе полк потерял почти все свои бомбардировщики СБ, после чего был выведен в резерв и в июле-августе перевооружен на Пе-2. Тогда же полк перешел на новый штат (20 самолетов и экипажей), выделив из своего состава полк «9-А» (впоследствии 723-й ББАП) В сентябре часть получила вместо пикировщиков истребители Пе-3, но наименование ее не изменилось. В период с октября 1941 г. по февраль 1942 г. полк базировался на Центральном аэродроме в Москве.
Большую часть боевых вылетов в октябре-ноябре 1941 г. полк выполнил для нанесения БШУ по наступающим немецким войскам. Другими важными задачами являлись прикрытие участков железной дороги Москва-Загорск, Москва-Дмитров и разведка. С октября 1941 г. пс февраль 1942 г. экипажи 9-го ББАП сбили 11 самолетов, включая 6 Bf 109, и выполнили 130 разведрейдов. В конце ноября 1941 г. полк подчинили непосредственно Главному штабу ВВС КА и возложили на него выполнение особых задач. Одной из них стало лидирование направляемых на фронт авиачастей, летчики которых имели недостаточную навигационную подготовку. Более двух тысяч боевых самолетов различных типов буквально «привели за руку» на новые аэродромы базирования «пешки» из 9-го ББАП.
Наиболее подготовленные экипажи привлекались к сопровождению правительственных самолетов и, выполняя эту важную задачу, за неполных три месяца совершили 95 самолетовылетов. Полеты нередко проходили в сложных метеоусловиях, что порой приводило к трагедиям. Так, 21 ноября 1941 г. шестерка Пе-3, возглавляемая майором Лукиным, сопровождала С-47, на котором летели маршал С.Тимошенко и член Политбюро ЦК ВКП(б) Н.Хрущев. При сильной облачности самолеты шли плотной группой. В очередной раз выскочив из облака, Лукин увидел прямо перед собой хвост «Дугласа», резко отвернул влево и столкнулся с машиной ведомого. В результате Лукин и его штурман погибли, а экипажу второго самолета удалось спастись на парашютах.
