В состав экипажа пикирующею бомбардировщика был введен стрелок-радист, отвечавший за работу с радиостанцией РСБ- бис и пулемета ШКАС на люковой установке МБ-2. В носу фюзеляжа дополнительно установили два пулемета ШКАС. Переговоры между членами экипажа обеспечивало устройство СПУ-3.
Бомбардировщики Пе-2 ранней постройки имели размах крыла 17,15 м, длину 12,241 м и высоту 3,42 м. Площадь крыла составляла 40,5 м^2, масса пустого – 5863 кг, взлетная масса – 7536 кг. На самолете стояли два 12-цилиндровых двигателя жидкостного охлаждения М-105Р мощностью по 1100 л.с., номинальная мощность на уровне моря – 1020 л.с. Если на ВИ-100 ставились винты ВИШ-42, то Пе-2 комплектовались трехлопастными винтами изменяемого шага ВИШ-61П. Мотогондолы и система охлаждения двигателей также были в значительной степени изменены – в задних частях мотогондол оборудовали отсеки для подвески 100-кг бомб (по одной бомбе в мотогондоле). Под нижней поверхностью крыла с внешней стороны мотогондол на Пе-2 имелись тормозные решетки, ограничивающие скорость пикирования.
Суммарная емкость пяти внутренних топливных баков бомбардировщика Пе-2 составляла 1086 л. Самолет Пе-2 1-й серии развивал на уровне моря максимальную скорость 452 км/ч. Практический потолок составлял 8800 м, дальность полета – 1200 км. Взлетная дистанция – 620 м, посадочная скорость – 240 км/ч. Проблему строгости поведения самолета на посадке так и не удалось решить на протяжении всей карьеры «пешки».
По предвоенным стандартам Пе-2 можно считать «электрическим» самолетом: порядка 50 электроприводов обеспечивали закрытие и открытие створок радиаторов, изменение шага лопастей винтов, выпуск и уборку закрылков, работы разнообразных клапанов. насосов, привод тормозных решеток.
В конце 1940 г. первые серийные Пе-2 сошли со сборочной линии расположенного в Филях Государственного авиационного завода № 22. Весной 1941 г. выпуск Пе-2 начался на заводе № 124 в Казани. Летом на выпуск Пе-2, после окончания производства бомбардировщиков ДБ-ЗФ. переключился завод № 39 на Ходынке. Выпуск пикирующих болмбардировщиков планировалось наладить на заводе № 400 в Харькове. До начала войны с Германией завод в Харькове не успел сдать ни одного Пе-2.