На Пе-2Р использовались аэрофотоаппараты нескольких типов. Стандартной вертикальной фотокамерой являлась АФА-Б с дистанционном приводом. Работал с камерой радист. С помощью АФА-Б можно было вести плановую съемку местности строго по вертикали, панорамную съемку с наклоном оптической оси объектива на 15 град, и на 45 град, назад. Предусматривалась возможность установки на самолет аэрофотоаппаратов НАФА-19 и АФА-27Т1. Ночная камера НАФА-1 использовалась в ночных полетах, ее ставили вместо штатной АФА-Б. В ночные полеты разведчик брал до восьми осветительных бомб ФОТАБ-50-35. Вспышка бомбы провоцировала срабатывание по сигналу фотоэлемента спуска аэрофотоаппарата НАФА-19. За один ночной полет можно было выполнить до 50 фотоснимков. На Пе-2Р также использовались аэрофотоаппараты АФА-ЗС, поставлявшиеся из США по ленд-лизу.
Два дополнительных топливных бака суммарной емкостью 580 л обеспечивали разведчику дальность полета в 2500 км. примерно на 500 км больше, чем у стандартных Пе-2. На некоторые Пе-2Р ставили дополнительное радиооборудование, позволявшее экипажу прямо в полете передавать информацию в штабы. На первых Пе-2Р не было радиополукомпасов РПК-2. а значит не было и рамочных антенн РПК-2 под носами фюзеляжей.
Вооружение Пе-2Р – аналогично бомбардировочным версиям. К примеру, у штурмана на Пе-2Р 83-й серии стояла турель «ФТ» с 12,7-мм пулеметом УБ вместо ШКАСа. Известно, что Пе-2Р из 2-го дальнего разведывательного авиационного полка комплектовались пусковыми установками для реактивных снарядов РС-82. Назначение РСов – сугубо оборонительное. Направляющие монтировались сверху и снизу фюзеляжа, нуск PC производился по полету. в сторону хвоста самолета. Насколько эффективным оказалось данное оборонительное вооружение установить не удалось.
Пе-2Р имелись во всех советских воздушных армиях. В частности разведчики состояли на вооружении 37-го, 38-ю 98-го и 99-ю гвардейских, 2-го, 11 -го. 48-го и 72- го дальних разведывательных авиационных полков. Обычно для сопровождения разведчиков в специализированных полках имелось по несколько истребителей Пе-3.
72-й дальний разведывательный авиационный полк принимал участие в Берлинской операции, начавшейся 16 апреля 1945 г. Один из самолетов данного полка был доработан под размещение четвертою члена экипажа, который работал с четырьмя дополнительными камерами, установленными в фюзеляже. С этого самолета был снят кинофильм. с успехом демонстрировавшийся по всему миру.
Пе-2Р поздние варианты
В вариант разведчика на заводе № 22 в Казани модернизировались обычные серийные бомбардировщики. На всех поздних Пе- 2Р стояли радиополукомпасы РПК-10, в то время как первые Пе-2Р вообще не имели радиополукомпасов.
Развитие фоторазведчика шло параллельно с развитием бомбардировщика. На поздних Пе-2Р стояли турели ВУБ-1 с 12,7- мм пулеметом УБТ. Бомбодержатели и тормозные решетки на Пе-2Р не ставились. Однако если на ранних Пе-2Р в нижней поверхности крыла оставались отверстия от крепления тормозных решеток и из приводов, то на поздних разведчиках отверстия зашивались металлическими заглушками. На самых последних Пе-2Р тормозные решетки не демонтировались.