На смену Пе-2 31-й серии пришли бомбардировщики 64-й серии. На этой модификации количество топливных баков было уменьшено с 11 (десять в крыле, один в фюзеляже) до девяти (восемь в крыле, один в фюзеляже), при этом суммарная емкость баков не изменилась – 1086 л.
В первый период войны «пешки» по причине неопытности летного состава редко использовались для бомбометания с пикирования. Как следствие в бомбардировочных авиаполках личный состав зачастую снимал с самолетов тормозные решетки и автоматы пикирования.
К 1 декабря 1941 г. промышленность поставила 1626 пикирующих бомбардировщика Пе-2. Самолеты строились на четырех заводах: № 22 в Филях, № 39 на Ходынке, № 124 в Казани и № 125 в Иркутске. В конце 1941 г. завод в Филях был эвакуирован в Казань, а завод на Ходынке в Иркутск. Помимо Пе-2 завод № 39 строил истребительную модификацию «пешки» – Пе-3. С начала 1943 г. завод возобновил выпуск дальних бомбардировщиков Ил-4 (прежнее название ДБ-ЗФ).
Фронт самым острейшим образом нуждался в пикирующих бомбардировщиках, единственным представителем самолетов данного класса в Советском Союзе все еще оставался Пе-2. Заводы № 22 и № 124 в сумме обеспечивали ежедневный выпуск 13 «пешек». Постоянно велась работа по снижению трудозатрат на постройку бомбардировщика. Если в декабре 1940 г. на изготовление самолета уходило 25 300 человекочасов, то через год – 13 200 человеко-часов. Снижение трудоемкости не прошло бесследно для летных характеристик, они снизились. Дополнительный негативный эффект привносила острая нехватка квалифицированных кадров, проблемы с поставками необходимых материалов. Так если Пе- 2 1-й серии предвоенного выпуска развивал на высоте 5000 м максимальную скорость 540 км/ч, то Пе-2 78-й производственной серии (самолет выпущен ГАЗ № 22 в Казани в мае 1942 г.) на высоте 4659 м показал максимальную скорость всего 503 км/ч.
Молодые, чтобы не сказать юные, летчики с трудом осваивали достаточно строгий в пилотировании Пе-2. Одна из причин – объективная: курс обучения в условиях военного времени пришлось резко сократить. Вторая связана с «истребительным» происхождением самолета. Крыло Пе-2 имело скоростной профиль, форма законцовок крыла в плане также были выбрана в расчете на высокие скорости полета. Как следствие, самолет обладал высокой посадочной скоростью, плюс на посадке нередко проявляла себя плохая путевая устойчивость машины. Летчики очень часто сносили «пешкам» на посадке шасси.