Летом 1944 г. ежемесячный выпуск пикирующих бомбардировщиков Пе-2 на 22- м заводе в Казани достиг 240 самолетов.
Несмотря на ряд недостатков. Пе-2 оставался основным бомбардировщиком ВВС и морской авиации. Самолет принимал участие во всех основных сражениях Великой Отечественной войны. Большую роль «пешки» сыграли в Сталинградской битве. В частности Пе-2 во многом способствовали срыву снабжения 6-й армии Паулюса по воздуху. 30 декабря 1942 г. шестерка Пе-2 из 150-го бомбардировочного авиационного полка уничтожила порядка трех десятков транспортных Ju-52/Зш на аэродроме Морозовская. Той же зимой 1942-1943 г.г. «пешки» авиации Балтийскою флота разрушили мост через реку Нарва, самым серьезным образом осложнив снабжение группировки германских войск иод Ленинградом.
В феврале 1944 г. девятка Пе-2 разбомбила мост через Днепр под Рогачевым. В результате советские войска получили возможность наголову разбить скопившиеся у переправы германские части. 22 нюня 1944 г. началась знаменитая операция «Багратион». В интересах сухопутных войск работало 548 пикирующих бомбардировщиков Пе-2. «Пикировщики» сумели разрушить мост через Березину, по которому лежал единственный путь отхода немецких войск из белорусского выступа.
«Пешки» поддерживали наступление частей Красной Армии на всем пространстве Восточной Европы, сыграли заметную роль в захвате Красной Армией крупных германских военно-морских баз Пиллау и Кенигсберг. В Берлинской операции принимало участие 743 пикирующих бомбардировщика Пе-2 и Ту-2. 30 мая 1945 г. «пешки» бомбили штаб-квартиру гестапо и рейсканцелярию. Последний боевой вылет в Великой Отечественной войне самолеты Пе-2 выполнили 7 мая 1945 г., обрушив бомбы на аэродром Зирау, откуда немецкие самолеты пытались улететь в нейтральную Швецию.
«Пешки» также принимали участие в короткой войне на дальнем Востоке. Это был последний случай боевого применения «пешек» в советских ВВС. В войне с Японией приняли участие три воздушные армии, в составе каждой имелось по одной дивизии пикирующих бомбардировщиков. Пе-2 из 34-го бомбардировочного авиационного полка бомбили корейские порты Сейсин и Расин. потопив пять японских судов и повредив еще пять.
После окончания войны «пешки» в короткий срок были сняты с вооружения ВВС Красной Армии. Им на смену пришли более совершенные Ту-2. На Западе же продолжали считать, что Пе-2 состоят на вооружении в Советском Союзе и даже присвоили самолету в 1954 г. НАТОвское обозначение «Buck».